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Technologies d’étalement de spectre

Bande étroite (narrowband) et étalement de spectre (spread spectrum) sont deux exemples sur la façon de communiquer en utilisant des fréquences radio. Les stations radio FM sont un exemple de communication en bande étroite. Les stations radio FM utilisent des bandes de fréquences soumises à licence spécifiquement réglée pour une fréquence radio spécifique. Une station radio peut transmettre un signal de plusieurs dizaines de milliers de watts dans une bande très étroite. En fonction des conditions, un récepteur peut recevoir le signal à plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres. En revanche, la technologie d’étalement de spectre utilise moins de puissance sur une plus large fréquence.

Narrowband vs Spread Spectrum

Narrowband vs Spread Spectrum

La communication en bande étroite est comparable à un présentateur qui parle au micro dans un amphithéâtre rempli de centaines de participants qui écoutent le message amplifié par la sono. La communication par étalement de spectre est assimilable à la même situation dans laquelle la même audience serait divisée en petits groupes dans lesquels chaque membre communiquerait seulement avec les autres membres du groupe. Ces groupes parleraient plus bas sans l’aide d’un microphone et d’un amplificateur afin de ne pas dépasser l’espace alloué au groupe.

Deux technologies d’étalement de spectre avaient été spécifiées dans la norme 802.11 d’origine, ratifiée en 1997 : FHSS et DSSS. Ces technologies d’étalement de spectre communiquent sur la bande de fréquences ISM 2,4 GHz. Les technologies d’étalement de spectre prennent les informations générées par l’ordinateur (les zéros et les uns) et les envoient sur l’air, en utilisant les fréquences radio RF, à l’aide de technologies de modulations. On distingue trois techniques de modulation numérique qui vont nous intéresser :

  • « Amplitude-Shift Keying »[1] (ASK)
  • « Frequency-Shift Keying »[2] (FSK)
  • « Phase-Shift Keying »[3] (PSK)

Pour pouvoir se comprendre, deux équipements doivent utiliser les mêmes technologies d’étalement de spectre et de modulation. « Frequency Hopping Spread Spectrum » (FHSS) a été utilisée par les premier équipements de réseau sans fil, mais elle est considérée comme obsolète dans les réseaux sans fil 802.11. Cependant, cette technologie est toujours utilisée dans les équipements tels que les téléphones sans fil et les équipements bluetooth de WPAN 802.15 tels que les souris, les caméras, les téléphones, les casques sans fil… La technologie bluetooth utilisant FHSS est plus lente que les nouvelles technologies 802.11.

FHSS

FHSS

FHSS fonctionne en envoyant des petites quantités d’information au travers de toute la bande ISM 2,4 GHz qui est divisée en canaux de 1 MHz de large. Comme son nom l’indique, cette technologie change (saute) constamment de fréquence selon une séquence spécifique ou « hopping pattern » et reste sur une fréquence durant une période de temps spécifique appelée « dwell time ». La valeur de « dwell time » dépend du domaine de régulation dans lequel l’équipement est utilisé. Par exemple, aux États-Unis, le FCC permet un « dwell time » de 400 millisecondes maximum. Le débit du FHSS IEEE 802.11 est seulement de 1 et 2 Mbits/s. Bien que ce débit soit considéré comme totalement obsolète, certains anciens équipements, comme les scanners portables, continuent à utiliser le FHSS car le coût de leur migration serait prohibitif et non-justifié.

Comme FHSS, « Direct Sequence Spread Spectrum » (DSSS) supporte les débits de 1 et 2 Mbits/s et elle est considérée comme lente au regard des technologies actuelles. Elle module ou modifie les caractéristiques des fréquences radio comme la phase, l’amplitude et la fréquence. En plus de la modulation, DSSS utilise une technologie appelée « spreading code » pour fournir une redondance aux données numériques qui traversent l’air, en transmettant l’information sur plusieurs sous-porteuses[4]. La redondance aide le récepteur à détecter les erreurs de transmission dues aux interférences. Les sous-porteuses sont des petits segments du canal RF utilisé. C’est cet étalement de l’information sur le canal de 22 MHz de large, qui aide DSSS à être résistant aux interférences. Un exemple de technique de codage, le « Barker code », est utilisé par DSSS à 1 et 2 Mbits/s. Chaque bit (0 ou 1) est combiné à l’aide du code Barker en utilisant un « ou exclusif » (XOR). Le résultat étale les 0 et 1 sur le canal de 22 MHz. Un canal est défini par sa fréquence centrale. Dans la bande des 2,4 GHz, les fréquences centrales, des 14 canaux, sont séparées de 5 MHz[5].

Largeur de 22 MHz du canal 6 dans la bande ISM

Largeur de 22 MHz du canal 6 dans la bande ISM

La technologie « High Rate/Direct Sequence Spread Spectrum » (HR/DSSS) est définie dans l’amendement 802.11b de la norme IEEE 802.11. Elle introduit des débits plus élevés de 5,5 et 11 Mbits/s. Comme pour le DSSS, cette technologie utilise l’un des canaux de 22 MHz de large pour transmettre et recevoir des données à des débits plus élevés. HR/DSSS utilise un « spreading code » différent du « Barker code » de DSSS pour transmettre à 5,5 et 11 Mbits/s, le « Complementary Code Keying » (CCK).

Canal Fréquence Centrale (MHz) États-Unis Japon Europe
1 2412 OUI OUI OUI
2 2417 OUI OUI OUI
3 2422 OUI OUI OUI
4 2427 OUI OUI OUI
5 2432 OUI OUI OUI
6 2437 OUI OUI OUI
7 2442 OUI OUI OUI
8 2447 OUI OUI OUI
9 2452 OUI OUI OUI
10 2457 OUI OUI OUI
11 2462 OUI OUI OUI
12 2467 NON OUI OUI
13 2472 NON OUI OUI
14 2484 NON OUI NON

Mathématiquement, il n’existe que trois canaux adjacents sans chevauchement, hormis le canal 14 qui est spécialement prévu, par la norme IEEE 802.11-2012, pour le Japon. Alors que toutes les fréquences centrales sont séparées de 5 MHz, le canal 14 est séparé du canal 13 par 12 MHz. Bien qu’on parle communément de « non-overlapping channels », et qu’il y a 3 MHz de séparation entre la fin d’un canal et le début d’un autre, il existe une petite quantité de recouvrement ou harmoniques entre ces deux canaux. Les canaux doivent être séparés de 25 MHz en HR/DSSS et 30 MHz en DSSS, pour être considérés comme « non-overlapping channels ».

Canaux 2,4 GHz ISM

Canaux 2,4 GHz ISM

Ce petit chevauchement n’est pas suffisant pour créer de réels problèmes d’interférences. Certains vieux équipements IEEE 802.11, tels que les lecteurs de code barre portables, sont équipés de batteries avec une faible durée de vie. L’utilisation d’une technologie d’étalement de spectre plutôt qu’une technologie en bande étroite favorise l’économie d’énergie et diffuse plus largement l’utilisation des équipements IEEE 802.11.

On parle communément des canaux 1, 6 et 11 comme non-adjacents dans la bande des 2,4 GHz ISM. La norme IEEE 802.11-2012 précise que les canaux 1, 7 et 13 sont encore moins recouvrant et préférables pour l’Europe. Cependant, il convient de vérifier que les équipements à connecter supportent les canaux 12 et 13. En effet, bon nombre de matériels étant de fabrication américaine et testés par le FCC, il n’est pas systématique d’y trouver les derniers canaux validés et utilisables.

L’amendement 802.11g a été introduit en 2003 et permettait d’atteindre des plus hauts débits dans la bande des 2,4 GHz ISM. L’objectif était d’atteindre 54 Mbits/s en utilisant la technologie « Orthogonal Frequency Division Multiplexing » (OFDM), tout en maintenant une rétrocompatibilité avec la norme et les équipements 802.11b. Cette nouvelle technologie appelée « Extended Rate Physical » (ERP) est basée sur les débits 1 et 2 Mbits/s DSSS (802.11) et sur les débits 5,5 et 11 Mbits/s HR/DSSS (802.11b).

L’amendement 802.11g adresse les modes de compatibilité suivants :

  • ERP-DSSS/CCK
  • ERP-OFDM
  • ERP-PBCC (optionnel)
  • DSS-OFDM (optionnel)

Le support obligatoire de ERP-DSSS/CCK et ERP-OFDM permet les débits de 1, 2, 5,5 et 11 Mbits/s, ainsi que 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 et 54 Mbits/s. Les constructeurs d’équipements LAN sans fil implémentent le paramétrage de ces choix de façon graphique ou par ligne de commande.

L’amendement IEEE 802.11n a été ratifié en septembre 1999 avec une nouvelle technologie PHY. La technologie « High Throughput » (HT) est basée sur OFDM PHY de la clause 17 (802.11a). Elle permet une extension jusqu’à quatre « spatial streams » avec des canaux de 20 ou 40 MHz de large dans la bande des 2,4 GHz ISM et 5 GHz U-NII. Cette technologie est capable de supporter des débits jusqu’à 600 Mbits/s. D’autres fonctionnalités optionnelles sont disponibles côté émetteur et récepteur :

  • Format HT-greenfield
  • Short guard interval (GI), 400 ns
  • Transmit beamforming (TxBF)
  • Space-time block coding (STBC)

Utiliser un canal de 40 MHz de large dans la bande des 2,4 GHz ISM revient à ne disposer que d’un seul canal sans adjacence. Ce mode de fonctionnement n’est utilisable que dans un environnement pour lequel une seule borne suffirait à couvrir les besoins.

 Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDM est utilisé par les amendements à la norme IEEE 802.11a (OFDM), 802.11g (ERP-OFDM), 802.11n (HT-OFDM) et 802.11ac (VHT-OFDM). OFDM a été mis au point pour transmettre plusieurs signaux simultanément sur un média partagé. L’orthogonalité vient du fait que le produit scalaire est nul pendant la durée de transmission d’un symbole entre chacune des porteuses. Cela n’est possible que si l’espacement entre deux porteuses consécutives est égal à l’inverse de la durée d’un symbole.

Sous-porteuses OFDM

Sous-porteuses OFDM

Chaque signal est transmis sur sa propre sous-porteuse. OFDM de 802.11a et 802.11g distribue les données sur 52 sous-porteuses séparées de façon équitable et 4 des 52 sous-porteuses ne transportent pas de données et sont utilisées comme des canaux pilotes. Le 802.11n autorise 56 sous-porteuses dont 52 sont utilisables pour les données avec des canaux de 20 MHz et 114 dont 108 utilisables pour des canaux de 40 MHz de large. En plus des débits supérieurs apportés par la technologie OFDM au 802.11a et 802.11g, la technologie MIMO de multiplexage spatial, disponible pour le 802.11n, augmente considérablement les débits par l’utilisation de plusieurs chaines radio. En plus de l’augmentation de débit, OFDM apporte une tolérance aux interférences des autres équipements sans fil. Chaque sous-porteuse est modulée indépendamment en utilisant des modulations numériques : BPSK[6], QPSK[7] ou 4-PSK, 16-QAM[8], 64-QAM, 256-QAM.

Bandwidth Subcarriers
Data Pilot
20 MHz 52 48 4
20 MHz (HT only) 56 52 4
40 MHz (HT only) 114 108 6
80 MHz (VHT only) 242 234 8
160 MHz (VHT only) 484 468 16

Le calcul de débit maximal s’effectue à l’aide la formule suivante :

Max\,Data\,Rate=\frac{Data\,Carriers \times Spatial\,Streams \times Bits\,per\,Symbol \times Code\,Rate}{Symbol\,Duration}

Attribute 802.11a/g 802.11n 802/11ac
Data Subcarriers 48 108 468
Spatial Streams 1 4 8
Bits Per Symbol 6 6 8
Code Rate \frac{3}{4} \frac{5}{6} \frac{5}{6}
Symbol Duration 4 µs 3.6 µs 3.6 µs
Max Data Rate \frac{48 \times 1 \times 6 \times \frac{3}{4}}{4} \frac{108 \times 4 \times 6 \times \frac{5}{6}}{3.6} \frac{468 \times 8 \times 8 \times \frac{5}{6}}{3.6}
54 Mbits/s 600 Mbits/s 6.933 Gbits/s

La technologie OFDM fonctionne autant pour le 2,4 GHz ISM que le 5 GHz U-NII. La largeur de canal est plus étroite qu’avec les technologies DSSS ou HR/DSSS, avec seulement 20MHz comparés aux 22 MHz de DSSS. Comme pour le DSSS, lorsque OFDM est utilisé dans la bande des 2,4 GHz ISM, on ne dispose que de trois canaux adjacents non recouvrant, ce qui limite la possibilité d’utiliser la concaténation de canaux (20/40 MHz de large) dans les déploiements IEEE 802.11n (HT-OFDM).

Gabarit spectral OFDM dans la bande des 2,4 GHz ISM

Gabarit spectral OFDM dans la bande des 2,4 GHz ISM

Largeur canal A B C D
20 MHz 9 11 20 30
40 MHz 19 21 40 60

Dans la bande des 5 GHz U-NII, tous les canaux font 20 MHz de large et les fréquences centrales sont espacées de 20 MHz (certaines fréquences particulières sont espacées de plus de 20 MHz). Certains domaines de régulationRegulatory Domains, tels que le FCC pour les États-Unis et l’ETSI pour l’Europe, exigent le support de « Dynamic Frequency Selection » (DFS) pour les équipements sans fil, tels que les points d’accès, qui opèrent dans le centre de la bande des 5 GHz U-NII (5,250 GHz – 5,725 GHz). DFS permet, à une borne, de changer de fréquence radio de façon à éviter les interférences avec certains types de radars.

Même en opérant avec des canaux en mode 20/40 MHz, de nombreuses trames sont toujours transmises avec des canaux de 20 MHz de large. Les largeurs de 20 et 20/40 MHz sont définies par l’IEEE pour la transmission des données modulées par OFDM. Si un équipement ne supporte pas la transmission avec une concaténation de canaux 20/40 MHz, la borne s’adapte pour assurer la compatibilité. Au même titre que la technologie MIMO, la concaténation de canaux permet une augmentation du débit. La notation communément utilisée pour décrire le nombre d’antennes est T x R x S avec :

  • T = Nombre maximum d’antennes en émission
  • R = Nombre maximum d’antennes en réception
  • S = Nombre maximum de « spatial streams »
Bande Canal Fréquence

Centrale

(GHz)

Restrictions

France

Max PIRE

France

(mW)

Int / Ext

France

U-NII-1 5,150 – 5,250 36 5,180 200 Int.
U-NII-1 40 5,200 200 Int.
U-NII-1 44 5,220 200 Int.
U-NII-1 48 5,240 200 Int.
U-NII-2 5,250 – 5,350 52 5,260 DFS / TPC 200 * Int.
U-NII-2 56 5,280 DFS / TPC 200 * Int.
U-NII-2 60 5,300 DFS / TPC 200 * Int.
U-NII-2 64 5,320 DFS / TPC 200 * Int.
U-NII-2-Ext 5,470 – 5,725 100 5,500 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 104 5,520 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 108 5,540 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 112 5,560 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 116 5,580 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 120 5,600 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 124 5,620 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 128 5,640 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 132 5,660 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 136 5,680 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-2-Ext 140 5,700 DFS / TPC 1000 ** Int. / Ext.
U-NII-3 5,725 – 5,825 149 5,745
U-NII-3 153 5,765
U-NII-3 157 5,785
U-NII-3 161 5,805
ISM 5,725 – 5,850 165 5,825

* avec régulation de puissance de l’émetteur (TPC), sinon 100 mW

** avec régulation de puissance de l’émetteur (TPC), sinon 500 mW

Plusieurs équipements, d’origines diverses, peuvent être amenés à fonctionner dans le même espace RF. Prenons l’exemple de HR/DSSS (802.11b) et ERP-OFDM (802.11g/n) qui opèrent tous les deux dans la bande des 2,4 GHz ISM. Les équipements conformes 802.11g sont rétrocompatibles avec les équipements conformes 802.11b, mais cette compatibilité s’accompagne d’une baisse de performance. A cause des mécanismes de protection, les équipements ERP-OFDM utilisés en 802.11g vont voir leurs performances se dégrader de 25 à 30% quand un équipement HR/DSSS sera à portée de réception. Il faut comprendre que cette dégradation ne sera pas limitée à une borne ou un « Basic Service Set » (BSS), mais qu’elle pourra se propager à une autre borne, à portée de signal, positionnée sur le même canal que celle en mode protection. Ce phénomène s’appelle le « ripple effect ».

Le même problème est à prendre en considération pour les systèmes fonctionnant en 802.11a et ceux implémentant le 802.11n. La différence réside dans la bande de fréquences utilisée. L’amendement à la norme IEEE 802.11n « High Throughput » (HT) intègre plusieurs mécanismes de protection. Le 802.11a (OFDM) et le 802.11n (HT-OFDM) ont plusieurs points communs et les équipements sont, là aussi, rétrocompatibles. Les équipements fonctionnant dans la bande des 5 GHz U-NII ne sont pas soumis aux problèmes de cohabitation avec les technologies DSSS et HR/DSSS. L’amendement 802.11n introduit un nouveau concept de « Modulation and Coding Scheme » (MCS), qui est une nouvelle façon de représenter les débits qui sont disponibles. Un MCS peut faire référence à plusieurs débits en fonction de différents paramètres.


  1. Modulation par déplacement d’amplitude
  2. Modulation par déplacement de fréquence
  3. Modulation par déplacement de phase
  4. Subcarriers
  5. Hormis le canal 14 qui est séparé de 12 MHz par rapport au canal 13
  6. Binary Phase Shift Keying
  7. Quadrature Phase Shift Keying
  8. Quadrature Amplitude Modulation