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La magie du Wifi : la couche physique
Par 4n9e le 02-01-2007
L’établissement de liaisons radio entre ordinateurs via les systèmes WiFi met en oeuvre un certain nombre de techniques modernes de radiocommunication qu’il peut être intéressant de connaître ...
Sommaire :
I. Introduction
II. La bande de fréquence
III. Cas particulier de la bande 5Ghz
IV. L’étalement spectral (spread spectrum)
V. Evasion de fréquence
VI. Principe de diversité
VII. Puissance et sensibilité
VIII. Question de modulation
IX. Le contrôle d'erreur
X. Phénomène environnement et multipath
I. Introduction
L’établissement de liaisons radio entre ordinateurs via les systèmes WiFi met en
oeuvre un certain nombre de techniques modernes de radiocommunication qu’il peut
être intéressant de connaître puisqu’on les retrouvera en partie sur les
systèmes GSM ou BlueTooth, et d’une façon générale dans tout système radio connecté a
haut débit de données.
Si il est largement débattu de la partie antennes du dispositif, dont on
trouve pas mal de tutoriels de montages et autres modifications a coups de
boites de conserve, on connaît moins la couche physique d’un wireless LAN, le
modem radio. C’est par là que nous commencerons.
Dans chaque pays, le spectre radio est découpé et attribué selon des règles
précises aux équipements par une organisation. Pour l’Europe il s’agit de
l’ETSI.
Certaines bandes sont libres de droit, l’utilisation d’autres est quant a elles
payante et sujette a l’acceptation des organismes propriétaires (armée, sécurité
civile…)
Les bandes qui nous intéressent se trouvent à 900Mhz et 2.4Ghz, ce sont les ISM
(Industrial, Scientific and Medical bands). Elles sont libres de droits, ce qui
signifie qu’outre l’equipement radio l’utilisateur n’a pas de charge a
acquitter par ailleurs pour y emettre.
Il existe cependant un certain nombre de règles a respecter afin d’émettre dans
ces bandes. Il s’agit principalement de la puissance d’émission, et des zones
réservées de non-emission de part et d’autre des bandes afin de ne pas
interférer avec les bandes adjacentes. Dans le même but, l’obligation d’utiliser
un mode de transmission dit « Spread Spectrum » soit en évasion de fréquence (frequency
hopping), soit en séquence directe (direct sequencing).
Les systèmes en Séquence Directe sont definits de telle sorte que leur signal
soit émit avec une redondance de 11 (répétitions) au moins (on reviendra a tout
ca plus loin). L’évasion de
fréquence quant a elle est telle que le signal ne peut occuper un canal plus de
0.4 secondes, pour un total d’au moins 75 canaux utilisés en 30 secondes.
Enfin, en ce qui concerne la puissance d’émission on va trouver la première
différence notable entre les États Unis et l’Europe : 1 Watt sur les bandes
900Mhz et 2.4Ghz pour les premiers, et 100mW sur la seule bande 2.4 GHz pour les
seconds, la bande 900 étant réservée au GSM en Europe.
L’intérêt de la bande 2.4 GHz est d’être commune au monde entier ou presque,
avec la même taille de 80 Mhz de largeur de bande (de 2.4 à 2.48 GHz)
Le problème d’une bande libre de droits est sa pollution inévitable par
différents systèmes annexes. Par exemple en 2.4 GHz, principalement les fours a
micro-ondes qui voient leurs radiations agir dans cette bande (un peu au delà en
fait, nous verrons ceci plus loin)
..en fait, les bandes 5Ghz 5.2 GHz et 5.4 GHz, appelées aussi HiperLan ou UNII.
Leurs spécifications sont différentes. Elles n’imposent pas un mode de
transmission, mais une puissance limitée compensée par une largeur de bande plus
grande (autour de 20Mhz). Cette largeur de bande musclée permet des vitesses
natives de transmission plus élevées (40 Mb/s contre 11Mb/s en natif dans les
2.4Ghz)
Le problème principal dans cette bande est le rapport signal-bruit, la part
d’importance du signal utile par rapport au bruit des interférences qui peuvent
le couvrir.
Et dans cette bande élevée, tout obstacle, bâtiment, etc... est un facteur
supplémentaire de bruit.
Le principe est d’utiliser plus de bande passante que nécessaire en réalité a la
transmission afin de minimiser l’effet des interférences Les portions non
utiles de bandes de fréquence sont partagées entre canaux afin de ne pas
utiliser non plus tout le spectre inutilement.
Les deux techniques mises en oeuvre dans ce mode sont comme on l’a dit plus haut
la séquence directe et l'évasion de fréquence
En direct sequencing, on utilise un seul canal d’une largeur de bande élevée
(11Mhz typiquement) au sein duquel le signal est multiplexé et mélangé avec un
code qui lui sert de signature. En gros, le canal est a son tour séparé en
plusieurs sous canaux, et le signal est émis simultanément sur chacun d’eux.
Un signal interférant sur une bande étroite ne va donc altérer qu’une partie du
signal global.
L’équipement qui reçoit la transmission démultiplexe le signal, retrouve toutes
les émissions identifiées par le code, et par moyennage élimine donc les rares
retransmissions interférées afin de ne garder qu’un seul signal utile.
Ce code étant composé de 11 digits, il est a l’origine de l’appellation 802.11
de la norme.
On rejoint ici un des principes du GSM, puisque c’est la technique a la base du
CDMA, code division multiple acces, propre au GSM. A ceci près qu’en GSM, le
code diffère pour chaque canal, et nécessite pour sa gestion une topologie du
réseau en étoile (les cellulaires et la station de base dans la cellule)
La limitation se trouve dans le fait qu’utiliser de grandes bandes passantes pour
des canaux uniques limite évidemment le nombre total de canaux disponibles dans la
bande ISM : en pratique, un système en direct sequencing n’offre que 3 canaux.
Ici, le système utilise un grand nombre de canaux en bande étroite. C’est
le principe inverse.
Le signal va se promener de l’un a l’autre suivant un ordre pré établi.
Typiquement, la bande 2.4 GHz est divisée en 79 canaux de 1 Mhz parmi les quels
la transmission se déplace tout les 20 à 400 ms selon un cycle prédéfinit.
Le système évite donc les interférences en n’étant jamais soumis a un même canal
éventuellement brouillé.
La contrepartie est une surcharge de travail au niveau de la couche MAC qui doit
scanner les canaux a l’établissement de la communication, se synchroniser durant
le trafic, et gérer les sauts.
D’autre part, le taux de transmission utile est légèrement réduit par l’ajout
régulier par le système de trames « blanches » afin évite que le système ne
soit trompé par des sauts de fréquence ratés qui génèrent des blocs entiers de 0
ou de 1 dans la transmission. Ce sont des trames de maintenance, mais pas utiles
au sens « data » du terme.
En revanche, le gros avantage de cette technique évasion de fréquence est
qu’elle soit basée sur un plan établit de saut de fréquences : de ce fait,
plusieurs réseaux peuvent cohabiter a proximité sans interférer tant que leurs
sauts de fréquence sont différents En théorie, jusqu'à 15 réseaux différents
peuvent cohabiter dans une même zone.
Un système de contrôle d’erreur par redondance va réduire le taux d’erreurs de
transmissions dû aux collisions qui peuvent arriver dans les cas extrêmes.
En résumé, les deux systèmes ont leurs avantages et leurs inconvénients bien que
les constructeurs privilégient plutôt l'évasion de fréquence au détriment du
direct sequencing du fait du moindre coût de fabrication de la partie modem.
Outre le spread spectrum qui, on vient de le voir, a pour but de réduire le
bruit en faveur du signal utile par une utilisation de bande passante plus
grande, d’autres techniques sont mises en œuvre dans le même but. On les appelle
« principe de diversité »
Spread spectrum est une diversité en fréquence, la retransmission du signal est
une diversité temporelle, FEC ( forward error correction, un type de contrôle
d’erreur radio) en est une autre, il reste la diversité spatiale.
C’est le fait d’utiliser plusieurs antennes pour une même transmission.
En effet, les conditions de réception varient fréquemment sur un même canal au
cours de la transmission. Le signal a tendance a « tomber », et ces conditions
dépendent en outre de la position de l’antenne a un moment donné. Ainsi, sur un
modem WiFi a plusieurs antennes, aucune ne reçoit le signal a la même puissance.
Le système va donc en permanence mesurer les performances de ses antennes afin
de choisir la mieux adaptée à l’instant donné.
Comme tout équipement de radio communication, le modem WiFi est caractérisé par
deux données essentielles, sa puissance émission et sa sensibilité. La première
est théoriquement standardisée à 100mW, mais la seconde dépend enormement de la
qualité de construction du récepteur.
La sensibilité est la mesure du signal le plus faible reçu et interprété par le
récepteur
On le mesure en dBm, sa valeur est négative et par conséquent une valeur de
-90dBm en sensibilité represnete un signal plus faible que -80 dBm et donc un
meilleur équipement
Rapporté au WiFi, le standard 802.11 définit la sensibilité comme la mesure en
dBm faite au moment ou on obtient 3% de perte sur des paquets de 400 bytes
transmis sur un même canal.
Certains constructeurs n’hésitent pas a mesurer sur 50% de pertes, ce qui leur
donnent de meilleurs résultats…
Le travail principal du modem radio est de transformer l’information de bits en
ondes radio modulées.
Pour ce faire, le système va utiliser une fréquence porteuse, et la moduler en
fonction de l’information. Il existe plusieurs sortes de modulations, la plus
simple étant de faire varier la force du signal (modulation d’amplitude).
Cependant, comme on a pu le voir la force d’un signal sur un canal donné est
déjà d’elle-même atténuée par les conditions de propagation difficilement
maîtrisables.
Il reste alors possible de faire varier la fréquence ou la phase du signal, ce
qui, indépendamment de sa puissance, laissera donc le contrôle de sa modulation.
Comme on l’a vu precedement, afin d’obtenir une information la moins perturbée
possible on utilise plus de largeur de bande que nécessaire au signal utile.
Toutefois, la bande ISM étant pas illimitée, et d’autre part les équipements
de réception comportant des filtres standardisés, on se retrouve vite limité a
des largeur de canaux de taille fixe : 1Mhz par exemple en évasion de fréquence
Ceci a pour effet théorique de limiter aussi le taux de transfert des données
par symboles, par exemple toujours en évasion de fréquence 1Mbauds.
C’est là qu’interviennent les modulations complexes de type Shift Keying comme
le 2FSK ou le 4FSK (frequency shift keying). Ce dernier permet 2 bits par
symbole, ce qui double le taux de transfert. En contrepartie, plus le type de
modulation est complexe, plus il est nécessaire d’avoir un rapport signal-bruit
élevé afin évite les erreurs, donc une liaison impeccable. Là où un 2FSK
devrait lire deux symboles clairement séparé, le 4FSK devrait en interpréter 4
très proches, augmentant le risque d’erreur.
En clair, plus le taux de transfert est élevé, plus le signal doit être fort,
moins la distance possible est grande.
La encore, les constructeurs trouvent la parade, en choisissant le type de
modulation le plus adapté en terme de vitesse par rapport a la qualité du signal
: c’est de la modulation multiniveaux. Le système change automatiquement de
modulation en choisissant la plus rapide selon les conditions propres du canal
de transmission.
Voyons de quoi ces modulations sont faites.
Le 2FSK est la forme la plus simple. Le système utilise deux fréquences pour les
valeurs 0 et 1 de chaque bit. Concrètement, si la fréquence centrale du canal
est C, que la déviation du signal de part et d’autre est de d, on a
-d__ C __+d
le système génère une fréquence de C-d pour un 0, et une de C+d pour traduire un
1. Le récepteur, connaissant C, n’a plus qu’a vérifier la déviation en fréquence
afin interpréter un 0 ou un 1.
Bien sur, ceci suppose que le récepteur et l’émetteur soient synchronisés dans
le temps durant la transmission. De plus, la vitesse de déviation de la
fréquence dictée par le taux de transmissions en bauds ne facilite pas la
lecture du récepteur Pour évite les erreurs, cette déviation doit être par
conséquent suffisamment grande pour être bien mesurée, sans pour autant être trop
proche des limites de largeur de bande du canal afin de ne pas être perturbée
par les canaux adjacents.
En général, on trouvera donc des déviations d’une centaine de KHz pour un canal
de 1Mhz.
Le 4FSK utilise quant a lui 4 valeurs de déviation reparties en C+1/2d, C-1/2d,
C+3/2d et C-3/2d, permettant un mappage par combinaisons de deux bits
(00,01,10,11).
Comme dit au début du chapitre, les déviations en 4FSK sont tout de suite plus
faibles parce qu’elles doivent toujours tenir dans une bande passante de 1Mhz :
la mesure est donc plus compliquée.
Evidement cette théorie des modulations ne permet pas avec ses vitesses de 1 à 2
Mb/s d’approcher un vrai WiFi tel que nous le connaissons. Ce fut le
constructeur Lucent qui le premier manipula le standard Direct Sequencing sur
une bande passante de 22Mhz afin d’obtenir une vitesse de 11Mb/s. C’est le
système PPM (Pulse Position Modulation), suivit chez Harris par le
MBOK (mary bi
orthogonal keying).
Enfin vint le CCK (complementary code keying) pour harmoniser les deux types de
modulation.
Nous avons vu que les sources interférences sont nombreuses dans cette bande
de fréquence à 2.4Ghz : obstacles, objets en mouvement, l’émetteur et le
récepteur eux mêmes en mouvement éventuellement, ou interférences techniques
comme celles d’un simple micro-ondes familial.
Ce dernier est un bon exemple, puisque il produit des radiations dans la bande
entourant le 2.4Ghz qui est celle du début de l’agitation moléculaire (principe
du micro ondes).
Cependant l’interférence reste raisonnable puisque les différents filtres d’un
tel appareil vont produire finalement un signal interférant d’environ 1Watt
tout au plus. Mais ce n’est pas le cas des appareils similaires industriels
comme ceux utilisés par exemple dans le séchage du papier qui eux vont produire
une réelle pollution electromagnetique de l’environnement.
Outre les techniques d’etallement spectral que nous avons vues plus haut, un
système de contrôle d’erreur est donc impliqué, le
FEC pour forward error
correction.
Le FEC va plus loin qu’un simple CRC qui ne fait que détecter une erreur.
Il
introduit une séquence de bits de contrôle dans chaque transmission selon un
algorithme pré établit qui permet de retrouver l’erreur par calcul du cote du
récepteur, évitant ainsi une retransmission : si le récepteur ne fait que
constater une erreur dans la trame, il va redemander la transmission de
celle-ci, ralentissant le trafic
Cependant, les caractéristiques d’une liaison WiFi sont telles qu’on a souvent
du « tout ou rien » : soit le signal est fort et la trame exempte de toute
erreur la plupart du temps, soit le nombre de collisions dues aux interférences
est tel que même le code atténuée le plus fort ne suffit pas a retrouver toute la
trame. Le système se rabat donc fréquemment dans ces cas là à un contrôle
d’erreur de type CRC et demande la retransmission, plus lente mais plus sure.
Dans cette bande de fréquence, les ondes radio se comportent de façon similaire
a la lumière face aux obstacles : certaines rebondissent, d’autres traversent en
partie les matériaux, certaines autres sont renvoyées. Ceci a pour effet que
toutes les ondes qui arrivent à un récepteur ont un décalage dans le temps
selon le trajet qu’elles ont suivit, exactement comme un émetteur au fond d’une
vallée.
On appelle ces trajets le multipath
Dans une certaine mesure, ceci est bénéfique à la liaison radio parceque ces
différentes provenances renforcent la qualité du signal en diluant le taux
d'interférences
dans le moyennage du signal à l’arrivée dans le récepteur.
Reste le problème de l’echo. Même si il parait négligeable du fait que les ondes
se propagent a la vitesse de la lumière, plus la vitesse de transmission
augmente, plus cet émission va créer des problèmes. On considère qu’a partir de
5Mb/s il est nécessaire d’établir un système d’interprétation de cet écho.
Cet étage dans le synoptique du modem (i.e. cette partie du modem) est l’equalizer. En séparant les
différentes parties du signal, il est capable de retrouver chacun des signaux
indépendamment du trajet qu’il a effectué et qui l’a nécessairement légèrement
modifié (effet Doppler).