L'évolution de la technologie Wi-Fi

La norme a continué d'évoluer au cours des 20 dernières années en introduisant de nouveaux protocoles tels que 802.11n, 802.11ac et 802.11ax (Wi-Fi 6).La nouvelle norme prend en charge des schémas de modulation d'ordre supérieur tels que 64 QAM, 256 QAM et 1024 QAM. Ces nouvelles normes permettent la transmission simultanée de plusieurs flux de données vers un ou plusieurs clients. Outre l'augmentation des débits de pointe, des efforts sont également déployés pour améliorer l'efficacité spectrale, qui caractérise la capacité d'un système à utiliser le spectre disponible. Afin d'améliorer l'efficacité et la capacité du réseau, des technologies multi-utilisateurs telles que le MU-MIMO (Multiple Input Multiple Output) et l'OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ont été introduites. Depuis la publication et la mise en œuvre de la norme Wi-Fi (802.11), le monde a connu une transformation majeure avec l'ouverture du marché et l'émergence de nouvelles technologies. Chaque nouvelle norme s'appuie sur la précédente en améliorant la vitesse et la fiabilité.

Normes Wi-Fi

Si vous envisagez d'acheter un nouvel appareil de réseau sans fil ou un appareil mobile, la multitude de choix et d'abréviations peut s'avérer déroutante. Depuis son lancement auprès du grand public en 1997, le Wi-Fi a vu ses normes évoluer constamment, offrant souvent des débits plus rapides et une meilleure efficacité du réseau et du spectre. L'ajout de nouvelles fonctionnalités à la norme 802.11 d'origine a donné naissance à ses normes complémentaires (802.11b, 802.11g, etc.). Le tableau 1 répertorie les différentes normes et les débits de données théoriques maximaux qu'elles permettent d'atteindre. Les débits réels seront inférieurs aux valeurs théoriques en raison de divers facteurs, tels que l'atténuation du signal avec la distance, le taux de modulation et le codage de correction d'erreurs sans voie de retour, la bande passante, les multiplicateurs MIMO, les intervalles de garde et les taux d'erreur typiques. La famille 802.11 regroupe des technologies de modulation semi-duplex sans fil utilisant le même protocole de base. Cet article présente les principes fondamentaux de chaque norme Wi-Fi.

Tableau 1Historique Wi-Fi

>> 802.11-1997 standard

La norme 802.11-1997, première norme sans fil de la famille, a été publiée en 1997 mais est aujourd'hui obsolète. Elle définissait les protocoles et les interconnexions compatibles pour les équipements de communication de données sans fil au sein des réseaux locaux (LAN) CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access Protocol) avec évitement des collisions. Le protocole prenait en charge trois technologies de couche physique : l'infrarouge fonctionnant à 1 Mbit/s, l'étalement de spectre par saut de fréquence (FHSS) supportant des débits de 1 Mbit/s et, en option, de 2 Mbit/s, et l'étalement de spectre par séquence directe (DSSS) également compatible avec des débits de 0,5 Mbit/s. Ce protocole n'a pas rencontré un large succès en raison de problèmes d'interopérabilité, de son coût et d'un débit insuffisant.

>> 802.11b standard

Les produits 802.11b sont arrivés sur le marché mi-1999. Ils offrent un débit théorique maximal de 11 Mbit/s et utilisent le même protocole d'accès au support CSMA/CA que celui défini dans la norme d'origine. Les améliorations considérables du débit du 802.11b, associées à des baisses de prix significatives, ont permis son adoption généralisée comme technologie sans fil. Le 802.11b utilise la bande de fréquences ISM sans licence de 2.4 à 2.5 GHz, est une extension directe du DSSS et utilise la modulation CCK (Complementary Code Keying). Le 802.11b est utilisé dans les configurations point à multipoint, où un point d'accès communique avec les clients mobiles situés à portée.

Cette plage de débit dépend de l'environnement radiofréquence, de la puissance d'émission et de la sensibilité du récepteur. La norme 802.11b possède une bande passante de canal de 22 MHz et peut fonctionner à 11 Mbit/s, mais ce débit est réduit à 5.5 Mbit/s, 2 Mbit/s et 1 Mbit/s (sélection adaptative du débit) afin de limiter les retransmissions dues aux erreurs [1]. La norme 802.11b partage la même bande passante que d'autres normes sans fil. Par conséquent, les appareils sans fil domestiques tels que les fours à micro-ondes, les appareils Bluetooth et les téléphones sans fil peuvent perturber le Wi-Fi.

>> 802.11a standard

La norme 802.11a utilise le même protocole de base que la norme d'origine, fonctionne à 5 GHz, utilise 52 sous-porteuses (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence, OFDM) et offre un débit théorique maximal de 54 Mbit/s, ce qui se traduit par un débit pratique de 20 Mbit/s. Elle prend également en charge des débits de 6, 9, 12, 18, 24, 36 et 48 Mbit/s. Les normes 802.11a et 802.11b ne sont pas interopérables car elles fonctionnent sur des bandes ISM non licenciées différentes. Face à la saturation croissante de la bande 2.4 GHz, la bande 5 GHz apporte des avantages significatifs à la norme 802.11a, mais sa portée effective globale est inférieure à celle des normes 802.11b/g en raison de la fréquence porteuse plus élevée.

Les produits 802.11a n'ont initialement pas rencontré un large succès en raison de leur coût, d'une couverture insuffisante et de leur incompatibilité avec la norme 802.11b. Sur les 52 sous-porteuses OFDM, 48 sont dédiées aux données et 4 sont des sous-porteuses pilotes, avec un espacement inter-porteuses de 312.5 kHz. Chaque sous-porteuse peut être modulée en BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. La bande passante du canal est de 20 MHz, la bande passante occupée de 16.6 MHz et la durée du symbole de 4 microsecondes, incluant un intervalle de garde de 0.8 microseconde. L'OFDM présente l'avantage de réduire les effets de trajets multiples à la réception et d'améliorer l'efficacité spectrale [2]. Le tableau 2 répertorie les différentes modulations prises en charge par la norme 11a et leurs débits de données théoriques respectifs.

Tableau 2Débit de modulation et débit de données 802.11a avec un espacement de canaux de 20 MHz

>> 802.11g standard

La norme 802.11g est disponible depuis l'été 2003. Elle utilise la même technologie OFDM que la norme 802.11a et, comme cette dernière, prend en charge un débit théorique maximal de 54 Mbit/s. Cependant, à l'instar de la norme 802.11b, elle fonctionne sur la bande de fréquence 2.4 GHz, très encombrée, et est donc sensible aux interférences et autres facteurs. La norme 802.11g est rétrocompatible avec la norme 802.11b (c'est-à-dire que les appareils compatibles 802.11b peuvent se connecter aux points d'accès 802.11g). Elle est également compatible avec les points d'accès bi-bande ou bi-mode utilisant les normes 802.11a et 802.11b/g.

>> 802.11n standard

L'introduction de la norme 802.11n a rendu le Wi-Fi plus rapide et plus fiable. Cette amélioration a été rendue possible grâce à l'ajout de la technologie MIMO et de canaux de 40 MHz à la couche physique (PHY), ainsi qu'à l'agrégation de trames à la couche MAC. La technologie MIMO permet de doubler la capacité d'une liaison sans fil en utilisant plusieurs antennes d'émission et de réception afin de tirer parti de la propagation multi-trajets. Ces antennes doivent être spatialement séparées pour que les signaux de chaque antenne d'émission vers chaque antenne de réception présentent des caractéristiques spatiales différentes. Ainsi, ces flux peuvent être séparés en canaux parallèles et indépendants au niveau du récepteur.

Les canaux fonctionnant à une bande passante de 40 MHz peuvent voir leur largeur doublée et atteindre un débit de données PHY deux fois supérieur sur un seul canal de 20 MHz. La norme 802.11n (version préliminaire) autorise jusqu'à 4 flux spatiaux avec un débit théorique maximal de 600 Mbit/s.

Le canal de 20 MHz comporte 56 sous-porteuses OFDM (52 pour les données et 4 pour le signal pilote) avec un espacement de 312.5 kHz. Chaque sous-porteuse peut être modulée en BPSK, QPSK, 16-QAM ou 64-QAM. La durée totale d'un symbole est de 3.6 ou 4 microsecondes, incluant un intervalle de garde de 0.4 ou 0.8 microseconde respectivement. Le tableau 3 répertorie les différents schémas de modulation et de codage pour un flux de données unique (pour plusieurs flux, le débit est un multiple du nombre de flux). La norme 802.11n prend en charge l'agrégation de trames, qui consiste à regrouper plusieurs unités de données de service MAC (MSDU) ou unités de données de protocole MAC (MPDU) afin de réduire la surcharge et de la répartir sur plusieurs trames, augmentant ainsi le débit utilisateur. De plus, la norme 802.11n est rétrocompatible avec les normes 802.11g, 11b et 11a[3]. Qorvo est un fournisseur de premier plan de composants 802.11n, notamment des amplificateurs de puissance, des amplificateurs à faible bruit, des commutateurs et des modules frontaux intégrés (FEM).

Tableau 3Modulation 802.11n et débit de données pour un flux de données unique

>> 802.11ac standard

La norme 802.11ac accélère le Wi-Fi en offrant des débits de l'ordre du gigabit par seconde grâce à une extension du concept 802.11n. Elle prend en charge une bande passante plus large (jusqu'à 160 MHz), davantage de flux spatiaux MIMO (jusqu'à 8), le MIMO multi-utilisateurs en liaison descendante (jusqu'à 4 clients) et une modulation haute densité (jusqu'à 256 QAM). La norme 802.11ac prend en charge la modulation 256 QAM aux taux de codage 3/4 et 5/6 (MCS8/9), ce qui impose une exigence d'EVM système plus stricte de 6 dB (-34 dB). Les composants 802.11ac de Qorvo répondent aisément à ces exigences d'EVM. La norme 802.11ac fonctionne uniquement sur la bande 5 GHz ; les points d'accès et les clients bi-bande continueront donc d'utiliser la norme 802.11n sur la bande 2.4 GHz. Les premières versions de la norme 802.11ac, sorties en 2013, ne prenaient en charge que des canaux de 80 MHz et jusqu'à 3 flux spatiaux, offrant des débits allant jusqu'à 1 300 Mbit/s au niveau de la couche physique. La deuxième génération de produits (802.11ac Wave 2), lancée en 2015, prend en charge davantage d'agrégation de canaux, de flux spatiaux et la technologie MU-MIMO. Le MU-MIMO représente une avancée majeure par rapport à la norme 802.11ac : alors que le MIMO dirige plusieurs flux vers un seul utilisateur, le MU-MIMO peut diriger des flux spatiaux vers plusieurs clients simultanément, améliorant ainsi l'efficacité du réseau. De plus, la norme 802.11ac utilise une technologie appelée formation de faisceaux ; grâce à cette technique, une antenne concentre un signal radio vers un périphérique spécifique. Les routeurs 802.11ac sont rétrocompatibles avec les normes 802.11b, 11g, 11a et 11n, ce qui signifie que tous les anciens clients fonctionneront correctement avec les routeurs 802.11ac[4].

>>Wi-Fi 6 或 Norme 802.11ax

La norme 802.11ax est la sixième génération de Wi-Fi. Elle s'appuie sur les atouts de la norme 802.11ac pour offrir une capacité et une fiabilité sans fil accrues. Elle y parvient grâce à une modulation plus dense (1024 QAM, OFDMA), un espacement réduit des sous-porteuses (78.125 kHz) et une allocation de ressources planifiée. Contrairement à la norme 802.11ac, la norme 802.11ax est une technologie bi-bande 2.4 et 5 GHz, conçue pour une compatibilité maximale et une coexistence efficace avec les clients 802.11a/g/n/ac. La norme 802.11ax utilise la technologie OFDMA, qui permet aux unités de ressources (RU) de répartir la bande passante en fonction des besoins des clients et d'offrir la même expérience à plusieurs utilisateurs à des débits plus élevés. À chaque instant du canal porteuse dans chaque unité de données de protocole PLCP (PPDU) de la norme 802.11ac, le canal Wi-Fi est divisé en un ensemble plus petit de sous-canaux OFDM. Cependant, en raison de l'OFDMA (802.11ax), chaque groupe de sous-porteuses est attribué au client en tant qu'unité de ressource sur une base PPDU (Figure 2).

图 2 Comparaison de l'allocation des ressources OFDM et OFDMA

Dans l'approche CSMA/CA de la première version de la norme 802.11, le client sans fil détectait d'abord la disponibilité du canal et ne transmettait que lorsqu'il était libre, évitant ainsi les collisions. Bien que cette méthode d'évaluation et d'évitement des conflits soit utile, elle devient inefficace lorsque le nombre de clients devient très important. Le protocole 802.11ax résout ce problème grâce à l'OFDMA et à l'allocation de ressources planifiée [5]. Les points d'accès 802.11ax déterminent les périodes de fonctionnement, ce qui permet une gestion plus efficace des clients. La planification des ressources peut également réduire considérablement la consommation d'énergie en veille, améliorant ainsi l'autonomie des batteries des clients. Le tableau 4 présente les différences entre les protocoles 802.11ac et 802.11ax. La vaste gamme de produits 802.11ax de Qorvo comprend des filtres 2.4 GHz et 5 GHz (FEM) et des filtres à ondes acoustiques de volume (BAW). La technologie FEM écoénergétique de cette gamme de produits réduit la charge thermique liée à la prise en charge MIMO dans les appareils Wi-Fi, permettant ainsi aux fabricants de diminuer la taille et le coût de leurs produits. Les filtres BAW edgeBoost™ (bord de bande) et coexBoost™ (coexistence) de Qorvo améliorent la qualité du service Wi-Fi et préviennent les interférences avec les fréquences LTE adjacentes.

Tableau 4802.11ac vs. 802.11ax

Cet article provient de "QorvoSi vous constatez une infraction ou tout autre problème, veuillez nous contacter afin que nous supprimions le contenu.Soutenez la protection des droits de propriété intellectuelle ; veuillez indiquer la source originale et l’auteur lors de toute reproduction.