La magie du Wifi : la couche physique

Par Gutek

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.

II. La bande de fréquence

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 quantàa elles payante et sujette à 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 à acquitter par ailleurs pour y emettre.

Il existe cependant un certain nombre de règles à 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 definis de telle sorte que leur signal soit émis avec une redondance de 11 (répétitions) au moins (on reviendra à tout ca plus loin). L’évasion de fréquence quant à 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 à micro-ondes qui voient leurs radiations agir dans cette bande (un peu au delà en fait, nous verrons ceci plus loin).

III. Cas particulier de la bande 5Ghz

...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.

IV. L’étalement spectral (spread spectrum)

Le principe est d’utiliser plus de bande passante que nécessaire en réalité à 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 à 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 à la base du CDMA, code division multiple accès, 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.

V. Evasion de fréquence

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 à l’autre suivant un ordre pré établi.

Typiquement, la bande 2.4 GHz est divisée en 79 canaux de 1 Mhz parmi lesquels la transmission se déplace tout les 20 à 400 ms selon un cycle prédéfini.

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 à 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 d'éviter 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 établi de saut de fréquences : de ce fait, plusieurs réseaux peuvent cohabiter à 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 dù aux collisions qui peuvent arriver dansles 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 coùt de fabrication de la partie modem.

VI. Principe de diversité

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 plusgrande, 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 à «tomber», et ces conditions dépendent en outre de la position de l’antenne à un moment donné. Ainsi, sur un modem WiFi a plusieurs antennes, aucune ne reçoit le signal à 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.

VII. Puissance et sensibilité

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 énormement 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 represente 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 à mesurer sur 50% de pertes, ce qui leur donnent de meilleurs résultats.

VIII. Question de modulation

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 précédement, 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 à 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 d'éviter les erreurs, donc une liaison impeccable. Là où un 2FSK devrait lire deux symboles clairement séparés, 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 éviter 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 à 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.

IX. Le contrôle d'erreur

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-établi qui permet de retrouver l’erreur par calcul du côté 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 atténué le plus fort ne suffit pas à 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.

X. Phénomène environnement et multipath

Dans cette bande de fréquence, les ondes radio se comportent de façon similaire à 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 parce que 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 à la vitesse de la lumière, plus la vitesse de transmission augmente, plus cette 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).

Article paru sur FutureZone ;

Gutek

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