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Wifi - Techniques de transmission de données
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Les canaux de transmission
On appelle canal de transmission une bande étroite de fréquence utilisable pour une communication. Dans chaque pays, le gouvernement est en général le régulateur de l'utilisation des bandes de fréquences, car il est souvent le principal consommateur pour des usages militaires.
Toutefois les gouvernements proposent des bandes de fréquence pour une utilisation libre, c'est-à-dire ne nécessitant pas de licence de radiocommunication. Les organismes chargés de réguler l'utilisation des fréquences radio sont :
- l'ETSI (European Telecommunications Standards Institute) en Europe
- la FCC (Federal Communications Commission) aux Etats-Unis
- le MKK (Kensa-kentei Kyokai) au Japon
En Europe la bande s'étalant de 890 à 915 MHz est utilisée pour les communications mobiles (GSM), ainsi seules les bandes 2.400 à 2.4835 GHz et 5.725 à 5.850 GHz sont disponibles pour une utilisation radio-amateur.
Les technologies de transmission
Les réseaux locaux radio-électriques utilisent des ondes radio ou infrarouges afin de transmettre des données. La technique utilisée à l'origine pour les transmissions radio est appelé transmission en bande étroite, elle consiste à passer les différentes communications sur des canaux différents. Les transmissions radio sont toutefois soumises à de nombreuses contraintes rendant ce type de transmission non suffisantes. Ces contraintes sont notamment :
- Le partage de la bande passante entre les différentes stations présentes dans une même cellule.
- La propagation par des chemins multiples d'une onde radio. Un onde radio peut en effet se propager dans différentes direction et éventuellement être réfléchie ou réfractés par des objets de l'environnement physique, si bien qu'un récepteur peut être amené recevoir à quelques instants d'intervalles deux mêmes informations ayant emprunté des cheminements différents par réflexions successives.
La couche physique de la norme 802.11 définit ainsi initialement plusieurs techniques de transmission permettant de limiter les problèmes dûs aux interférences :
- La technique de l'étalement de spectre à saut de fréquence,
- La technique de l'étalement de spectre à séquence directe,
- La technologie infrarouge.
La technique à bande étroite
La technique à bande étroite (narrow band) consiste à utiliser une fréquence radio spécifique pour la transmission et la réception de données. La bande de fréquence utilisée doit être aussi petite que possible afin de limiter les interférences sur les bandes adjacentes.
Les techniques d'étalement de spectre
La norme IEEE 802.11 propose deux techniques de modulation de fréquence pour la transmission de données issues des technologies militaires. Ces techniques, appelées étalement de spectre (en anglais spread spectrum) consistent à utiliser une bande de fréquence large pour transmettre des données à faible puissance. On distingue deux techniques d'étalement de spectre :
- La technique de l'étalement de spectre à saut de fréquence,
- La technique de l'étalement de spectre à séquence directe
La technique de saut de fréquence
La technique FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum, en français étalement de spectre par saut de fréquence ou étalement de spectre par évasion de fréquence) consiste à découper la large bande de fréquence en un minimum de 75 canaux (hops ou sauts d'une largeur de 1MHz), puis de transmettre en utilisant une combinaison de canaux connue de toutes les stations de la cellule. Dans la norme 802.11, la bande de fréquence 2.4 - 2.4835 GHz permet de créer 79 canaux de 1 MHz. La transmission se fait ainsi en émettant successivement sur un canal puis sur un autre pendant une courte période de temps (d'environ 400 ms), ce qui permet à un instant donné de transmettre un signal plus facilement reconnaissable sur une fréquence donnée.
L'étalement de spectre par saut de fréquence a originalement été conçu dans un but militaire afin d'empêcher l'écoute des transmissions radio. En effet, une station ne connaissant pas la combinaison de fréquence à utiliser ne pouvait pas écouter la communication car il lui était impossible dans le temps imparti de localiser la fréquence sur laquelle le signal était émis puis de chercher la nouvelle fréquence.
Aujourd'hui les réseaux locaux utilisant cette technologie sont standards ce qui signifie que la séquence de fréquences utilisées est connue de tous, l'étalement de spectre par saut de fréquence n'assure donc plus cette fonction de sécurisation des échanges. En contrepartie, le FHSS est désormais utilisé dans le standard 802.11 de telle manière à réduire les interférences entre les transmissions des diverses stations d'une cellule.
Etalement de spectre à séquence directe
La technique DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum, étalement de spectre à séquence directe) consiste à transmettre pour chaque bit une séquence Barker (parfois appelée bruit pseudo-aléatoire ou en anglais pseudo-random noise, noté PN) de bits. Ainsi chaque bit valant 1 est remplacé par une séquence de bits et chaque bit valant 0 par son complément.
La couche physique de la norme 802.11 définit une séquence de 11 bits (10110111000) pour représenter un 1 et son complément (01001000111) pour coder un 0. On appelle chip ou chipping code (en français puce) chaque bit encodé à l'aide de la séquence. Cette technique (appelée chipping) revient donc à moduler chaque bit avec la séquence barker.
Grâce au chipping, de l'information redondante est transmise, ce qui permet d'effectuer des contrôles d'erreurs sur les transmissions, voire de la correction d'erreurs.
Dans le standard 802.11b, la bande de fréquence 2.400-2.4835 GHz (d'une largeur de 83.5 MHz) a été découpée en 14 canaux séparés de 5MHz, dont seuls les 11 premiers sont utilisables aux Etats-Unis. Seuls les canaux 10 à 13 sont utilisables en France. Voici les fréquences associées aux 14 canaux :
| Canal | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fréquence (GHz) | 2.412 | 2.417 | 2.422 | 2.427 | 2.432 | 2.437 | 2.442 | 2.447 | 2.452 | 2.457 | 2.462 | 2.467 | 2.472 | 2.484 |
Toutefois, pour une transmission de 11 Mbps correcte il est nécessaire de transmettre sur une bande de 22 MHz car, d'après le théorème de Shannon, la fréquence d'échantillonnage doit être au minimum égale au double du signal à numériser. Ainsi certains canaux recouvrent partiellement les canaux adjacents, c'est la raison pour laquelle des canaux isolés (les canaux 1, 6 et 11) distants les uns des autres de 25MHz sont généralement utilisés.
Ainsi, si deux points d'accès utilisant les mêmes canaux ont des zones d'émission qui se recoupent, des distorsions du signal risquent de perturber la transmission. Ainsi pour éviter toute interférence il est recommandé d'organiser la répartition des points d'accès et l'utilisation des canaux de telle manière à ne pas avoir deux points d'accès utilisant les mêmes canaux proches l'un de l'autre.
Le standard 802.11a utilise la bande de fréquence 5.15GHz à 5.35GHz et la bande 5.725 GHz à 5.825 GHz, ce qui permet de définir 8 canaux distincts d'une largeur de 20Mhz chacun, c'est-à-dire une bande suffisamment large pour ne pas avoir de parasitage entre canaux.
La technologie infrarouge
Le standard IEEE 802.11 prévoit également une alternative à l'utilisation des ondes radio : la lumière infrarouge. La technologie infrarouge a pour caractéristique principale d'utiliser une onde lumineuse pour la transmission de données. Ainsi les transmissions se font de façon uni-directionnelle, soit en "vue directe" soit par réflexion. Le caractère non dissipatif des ondes lumineuses offre un niveau de sécurité plus élevé.
Il est possible grâce à la technologie infrarouge d'obtenir des débits allant de 1 à 2 Mbit/s en utilisant une modulation appelé PPM (pulse position modulation).
La modulation PPM consiste à transmettre des impulsions à amplitude constante, et à coder l'information suivant la position de l'impulsion. Le débit de 1 Mbps est obtenu avec une modulation de 16-PPM, tandis que le débit de 2 Mbps est obtenu avec une modulation 4-PPM permettant de coder deux bits de données avec 4 positions possibles :
Les techniques de modulation
Tandis que la radio classique utilise une modulation de fréquence (radio FM pour Frequency Modulation) ou bien une modulation d'amplitude (radio AM pour Amplitude Modulation), le standard 802.11b utilise une technique de modulation de phase appelée PSK pour Phase Shift Keying. Ainsi chaque bit produit une rotation de phase. Une rotation de 180° permet de transmettre des débits peu élevés (technique appelé BPSK pour Binary Phase Shift Keying) tandis qu'une série de quatre rotations de 90° (technique appelé QPSK pour Quadrature Phase Shift Keying) permet des débits deux fois plus élevés.
Optimisations
La norme 802.11b propose d'autres types d'encodage permettant d'optimiser le débit de la transmission. Les deux séquences Barker ne permettent de définir que deux états (0 ou 1) à l'aide de deux mots de 11 bits (compléments l'un de l'autre).
Une méthode alternative appelée CCK (complementary code keying) permet d'encoder directement plusieurs bits de données en une seule puce (chip) en utilisant 8 séquences de 64 bits. Ainsi en codant simultanément 4 bits, la méthode CCK permet d'obtenir un débit de 5.5 Mbps et elle permet d'obtenir un débit de 11 Mbps en codant 8 bits de données.
La technologie PBCC (Packet Binary Convolutionnary Code) permet de rendre le signal plus robuste vis-à-vis des distorsions dûes au cheminement multiple des ondes hertziennes. Ainsi la société Texas Instrument a réussi a mettre au point une séquence tirant avantage de cette meilleure résistance aux interférences et offrant un débit de 22Mbit/s. Cette technologie baptisée 802.11b+ est toutefois non conforme à la norme IEEE 802.11b ce qui rend les périphériques la supportant non compatibles avec les équipements 802.11b.
La norme 802.11a opère dans la bande de fréquence des 5 GHz, qui offre 8 canaux distincts, c'est la raison pour laquelle une technique de transmission alternative tirant partie des différents canaux est proposée. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) permet d'obtenir des débits théoriques de 54 Mbps en envoyant les données en parallèle sur les différentes fréquences. De plus la technique OFDM fait une utilisation plus rationnelle du spectre.
| Technologie | Codage | Type de modulation | Débit |
|---|---|---|---|
| 802.11b | 11 bits (Barker sequence) | PSK | 1Mbps |
| 802.11b | 11 bits (Barker sequence) | QPSK | 2Mbps |
| 802.11b | CCK (4 bits) | QPSK | 5.5Mbps |
| 802.11b | CCK (8 bits) | QPSK | 11Mbps |
| 802.11a | CCK (8 bits) | OFDM | 54Mbps |
| 802.11g | CCK (8 bits) | OFDM | 54Mbps |
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