WiFi - Description et explications axées sur l'antenne

Décembre 2016

Le Wi-Fi (également orthographié Wi-fi, WiFi, Wifi ou encore wifi) est une technologie de réseau informatique mise en place pour fonctionner en réseau interne et depuis devenue un moyen d'accès à haut débit à Internet.


Présentation


La norme IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802-11) est un standard international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN). Le nom Wi-Fi (contraction de Wireless Fidelity, Fidélité sans fil) correspond initialement au nom donné à la certification délivrée par la WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance), l'organisme chargé de maintenir l'interopérabilité entre les matériels répondant à la norme 802.11. Par abus de langage (et pour des raisons de marketing) le nom de la norme se confond aujourd'hui avec le nom de la certification. Ainsi un réseau Wi-Fi est en réalité un réseau répondant à la norme 802.11.

Grâce au Wi-Fi il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut débit. Dans la pratique le Wi-Fi permet de relier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des assistants personnels (PDA) ou même des périphériques à une liaison haut débit (300 Mbit/s) sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres). Dans un environnement ouvert la portée peut atteindre plusieurs centaines de mètres voire dans des conditions optimales plusieurs dizaines de kilomètres.

Ainsi des fournisseurs d'accès internet commencent à irriguer des zones à fortes concentration d'utilisateurs (gares, aéroports, hôtels, trains, etc.) avec des réseaux sans fil connectés à internet. Ces zones d'accès sont appelées « hot spots ».

Les iBooks d'Apple furent en 1999 parmi les premiers ordinateurs grand public à proposer un équipement Wi-Fi intégré (sous le nom d'Airport), bientôt suivis par le reste de la gamme. À partir de 2003, on voit aussi apparaître des modèles de PC bâtis autour de la technologie Intel Centrino, qui leur permettent une intégration similaire. Les autres modèles doivent encore s'équiper d'une carte d'extension adaptée.

Structure


La norme 802.11 s'attache à définir les couches basses du modèle OSI pour une liaison sans fil utilisant des ondes électromagnétiques, c'est-à-dire :

la couche physique (notée parfois couche PHY), proposant trois types de codage de l'information ;

la couche liaison de données, constitué de deux sous-couches :
  • le contrôle de la liaison logique (Logical Link Control, ou LLC) ;
  • le contrôle d'accès au support (Media Access Control, ou MAC).




La couche physique définit la modulation des ondes radio-électriques et les caractéristiques de la signalisation pour la transmission de données, tandis que la couche liaison de données définit l'interface entre le bus de la machine et la couche physique, notamment une méthode d'accès proche de celle utilisée dans le standard ethernet et les règles de communication entre les différentes stations. La norme 802.11 propose en réalité trois couches physiques, définissant des modes de transmission alternatifs :

Il est possible d'utiliser n'importe quel protocole sur un réseau sans fil WiFi au même titre que sur un réseau ethernet.

Modes

Infrastructure


Le mode Infrastructure est un mode de fonctionnement qui permet de connecter les ordinateurs équipés d'une carte réseau Wi-Fi entre eux via un ou plusieurs Point d'accès (AP) qui agissent comme des concentrateurs (Ex: Hub/Switch en réseau filaire). Ce mode est essentiellement utilisé en entreprise. La mise en place d'un tel réseau oblige de poser à intervalle régulier des bornes (AP) dans la zone qui doit être couverte par le réseau. Les bornes ainsi que les machines doivent être configurées avec le même SSID (nom de réseau) afin de pouvoir communiquer. L'avantage de ce mode est de garantir un passage obligé par l'AP, il est donc possible de vérifier qui rentre sur le réseau. Par contre, le réseau ne peut pas s'agrandir, hormis en posant de nouvelles bornes.

Ad-Hoc


Le mode « Ad-Hoc » est un mode de fonctionnement qui permet de connecter directement les ordinateurs équipés d'une carte réseau Wi-Fi, sans utiliser un matériel tiers tel qu'un Point d'accès (AP). Ce mode est idéal pour interconnecter rapidement des machines entre elles sans matériel supplémentaire (Ex: échange de fichiers entre portables dans un train (TGV), partage de son accès à Internet dans sa maison, dans la rue, au café, chez des amis ...). La mise en place d'un tel réseau se borne à configurer les machines en mode Ad-Hoc (au lieu du mode Infrastructure), la sélection d'un canal (fréquence) et d'un SSID (nom de réseau) commun à tous. L'avantage de ce mode est de s'affranchir de matériels tiers coûteux et est plus facile à mettre en oeuvre. Grâce à l'ajout d'un simple logiciel de routage dynamique (Ex:OLSR, AODV...) le réseau s'agrandit naturellement avec la connexion de nouvelles machines.

Les différentes normes Wi-Fi


La norme IEEE 802.11 est en réalité la norme initiale offrant des débits de 1 ou 2 Mbit/s. Des révisions ont été apportées à la norme originale afin d'optimiser le débit (c'est le cas des normes 802.11a, 802.11b, 802.11g et 802.11n appelées normes 802.11 physiques) ou bien préciser des éléments afin d'assurer une meilleure sécurité ou une meilleure interopérabilité. Voici un tableau présentant les différentes révisions de la norme 802.11 et leur signification :

Interrogations


La technologie Wi-Fi apparaît au moment où se développent les interrogations quant à l'impact des technologies de communication sans fil sur la santé de l'homme. Des débats scientifiques se sont multipliés autour du téléphone portable et commencent aujourd'hui à toucher l'ensemble de la technologie Wi-Fi.

Une telle démarche s'avère opportune dans l'hypothèse probable où cette technologie pourrait prochainement être omniprésente dans l'environnement humain, que ce soit au travail comme au domicile.

Toutefois, il est à relever que la puissance émise par les équipements Wi-Fi (~30 mW) est trente fois moindre que celle émise par les téléphones portables (~1 W). En outre, le téléphone est généralement tenu à proximité immédiate du cerveau, ce qui n'est pas le cas des équipements de Wi-Fi ; et à une dizaine de centimètres, la puissance du signal est déjà fortement atténuée. Ainsi, même si les ondes émises par les téléphones portables étaient nocives pour la santé, les effets des signaux Wi-Fi resteraient négligeables.

Cohabitation


Le Wi-Fi utilise une bande de fréquence étroite dite ISM, 2,4 à 2,4835 GHz, de type partagée avec d'autres colocataires conduisant à des problèmes de cohabitation qui se traduisent par des interférences, brouillages causés par les fours à micro-ondes, les transmetteurs domestiques, les relais, la télé-mesure,la télé-médecine, les caméras sans fil et les émissions ATV, etc..

Faudra-t-il trouver d'autres fréquences gratuites pour certaines de ces applications ou le wifi doit-il migrer vers une autre bande moins encombrée ?

Les antennes Wi-Fi


Voici les 5 principales catégories d'antenne 2,4 GHz du commerce utilisées par les wifistes, les radioamateurs et les diverses applications dans la bande ISM :
  • Le dipôle, qui ressemble à un stylo, est l'antenne basique, la plus rencontrée. Elle est omnidirectionnelle, 0 dB de gain, et est dédiée à la desserte de proximité.
  • l'antenne tige extérieure, (technologie antenne colinéaire) souvent installée sur le toit. Elle est omnidirectionnelle, son gain, 7 à 15 dBi, est lié à sa dimension verticale pouvant atteindre 2 m.


Ces 2 premières descriptions, fonctionnant en polarisation V, peuvent être considérées comme des antennes station d'accueil ou de base puisque compatibles avec en environnement 360°.
  • L'antenne panneau dite aussi plate (technologie interne antenne quad ou antenne patch, réseau de dipôles. Le gain commence vers 9 dBi (10 x 12 cm) pour atteindre 21 dbi (45 x 45 x 4.5 cm). C'est l'antenne qui présente le meilleur rapport gain/encombrement et aussi le meilleur rendement, qui tourne autour de 85 à 90%. Au-delà de ce gain maximum, elle n'est plus fabriquée, car surgissent les problèmes de couplage (pertes) entre étages des dipôles et il faudrait en plus envisager le doublement de la surface. Le volume d'une antenne panneau est minimal.
  • L'antenne type parabole pleine ou ajourée (grille).Son intérêt d'emploi se situe dans la recherche du gain obtenu à partir d'une diamètre théorique d'approche suivant :


18 dBi = 46 cm
19 dBi = 52 cm
20 dBi = 58 cm
21 dBi = 65 cm
22 dBi = 73 cm
23 dBi = 82 cm
24 dbi = 92 cm
25 dBi = 103 cm
26 dBi = 115 cm
27 dBi = 130 cm
28 dbi = 145 cm
29 dBi = 163 cm
30 dbi = 183 cm

Le rendement de la parabole est moyen, 45/55%. Le volume de l'antenne, qui tient compte de la longueur du bracon, donc de la focale, est significatif.

Nota : n'importe quelle parabole (ex. TPS/CS sans tête 11-12 GHz) est exploitable en Wifi, à condition de prévoir une source adaptée, cornet, patch ou quad mono ou double, etc, l'antenne à fentes, sectorielle, à gain.

Les antennes à gain directionnelles ou omnidirectionnelles sont destinées à la « plus longue portée », possible, quelques kilomètres.

Les antennes panneaux et paraboliques sont uniquement directionnelles, c'est-à-dire quelles favorisent une direction privilégiée (plus ou moins ouverte) au détriment d'autres non souhaitées.

Panneau ou parabole


On retient que les antennes panneaux sont souvent préférées (voire préférables) lorsque le bilan de liaison est favorable, mais dès que le système doit être plus performant les paraboles deviennent nécessaires. Le point d'équilibre, à 21 dBi, se fait avec d'un côté un panneau carré de 45 cm et de l'autre une parabole d = 65 cm.

En conclusion, en directionnel, ou point à point, il est plus intéressant de s'équiper d'abord d'un panneau, puis si les circonstances l'exigent, d'une parabole.

Les antennes Wi-Fi sont généralement dotées de connecteurs SMA, RP-SMA ou N selon le constructeur.

Nota : il existe d'autres antennes, moins connues, et celles conçues par les wifistes, comme les cornets, telle la « Ricoré », les Yagi, les cornières, les dièdres, les discones etc., mais seules les 4 premières citées sont significativement utilisées.

Liens supplémentaires et sources :


forum-wifi
wi-fi
swisswireless
guide-wifi
canardwifi

A voir également :

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