Wi-Fi : tout ce qu'il faut savoir des différentes normes et technologies

Et le super Wi-Fi alors ? 47
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Réseau DOSSIER
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le vendredi 22 septembre 2017 à 17:00
Sébastien Gavois

Vous êtes perdu entre toutes les déclinaisons de Wi-Fi 802.11 (a/b/g/n/ac/ad/ax/ah...) ? MU-MIMO, Wi-Fi Direct, Aware et TimeSync ne vous disent pas grand-chose ? Reprenons donc les bases pour bien comprendre de quoi il s'agit. Car oui, tous les « Wi-Fi » ne se valent pas, loin de là même !

Derrière l'appellation « Wi-Fi » se cache une myriade de technologies et de normes, chacune avec ses particularités. Les plus connues sont évidemment les 802.11b/g/n/ac, mais il en existe de nombreuses autres. Pour ajouter un peu de complexité, il y a parfois des différences importantes au sein d'une même norme.

Ainsi, entre deux routeurs Wi-Fi 802.11n et 802.11ac il peut y avoir de gros écarts au niveau des performances et des fonctionnalités, il est donc important de savoir de quoi il en retourne exactement avant de faire votre choix. Afin de ne plus être perdu dans la jungle des sigles, voici un glossaire des termes importants à connaitre.

Rappels sur les fréquences et les débits

Avant d'entrer dans le vif du sujet un rappel important : les débits évoqués sont des maximums théoriques. Ils seront donc toujours inférieurs dans la pratique, même dans des conditions parfaites. Sachez ensuite que le signal est perturbé par la présence de murs, d'un four à micro-ondes (sur la bande des 2,4 GHz) et dépend de la distance évidemment. Les débits peuvent ainsi chuter rapidement et la connexion se retrouver coupée, même sur de courtes distances.

De plus, en Wi-Fi les fabricants parlent toujours de Mb/s (ou Gb/s) et pas de Mo/s (ou Go/s) : pour les convertir il faut les diviser par 8. Ainsi, 300 Mb/s ne donnent « que » 37,5 Mo/s, alors que 1 Gb/s correspondent à environ 125 Mo/s. Là encore, toujours en théorie et au maximum bien évidemment (voir notre test de Google Wifi pour bien s'en rendre compte).

Comme en téléphonie mobile, plus une fréquence est basse, plus elle porte loin. Par contre, les fréquences élevées disposent généralement de plus de bande passante permettant ainsi d'atteindre des débits plus élevés. En Wi-Fi, les plus couramment utilisées sont 2,4 GHz (meilleure portée) et 5 GHz (meilleur débit).

Les moins jeunes se souviendront certainement du 802.11a (jusqu'à 54 Mb/s) sur la bande des 5 GHz et du 802.11b (jusqu'à 11 Mb/s) sur celle des 2,4 GHz, deux normes qui datent de 1999. Le 802.11b a été remplacé en 2003 par le 802.11g. Elle est rétrocompatible avec la précédente norme et capable de grimper jusqu'à 54 Mb/s.

Après six ans d'attente, le remplaçant officiel arrive donc enfin... du moins sur le papier. 

802.11n : 2,4 GHz et parfois 5 GHz, des débits théoriques jusqu'à 600 Mb/s et...

Le 802.11n est devenu un standard de l'IEEE fin 2009. Pour rappel, les fabricants n'avaient pas attendu et ils étaient déjà nombreux à proposer des produits 802.11n basés sur un premier brouillon de la norme – Draft – puis sur un second. La Wi-Alliance avait donc un gros retard sur la standardisation, une situation qui ne s'est pas améliorée par la suite.

Cette norme est rétrocompatible avec le 802.11g (et donc 802.11b). Cette norme propose une amélioration du débit grâce à des blocs de fréquences de 40 MHz au lieu de 20 MHz, toujours dans les bandes de fréquences de 2,4 et 5 GHz pour les modèles « dual band ». Attention tout de même, cela peut faciliter la perturbation du signal.

Il existe en effet des produits 802.11n ne fonctionnant que sur la bande des 2,4 GHz, aussi bien du côté des routeurs que des terminaux mobiles (smartphones, portables, clés USB, etc.). Aujourd'hui, cela ne concerne plus que de vieux produits.

...arrivée du MIMO pour multiplier les débits

Par défaut, un flux Wi-Fi 802.11n permet de monter jusqu'à 150 Mb/s, mais il est possible d'atteindre un débit maximum théorique de 600 Mb/s grâce au MIMO (entrées multiples, sorties multiples) en opposition au SISO (S pour single). Cette technique permet d'utiliser jusqu'à quatre flux simultanément, et améliorer le débit d'autant.

Si une seule antenne permet d'atteindre 150 Mb/s, une configuration 2x2 MIMO (deux antennes en réception, deux en émissions) passe à 300 Mb/s, contre 450 Mb/s avec du 3x3 MIMO (3 flux) et jusqu'à 600 Mb/s pour du 4x4 MIMO (le maximum selon la norme IEEE du Wi-Fi 802.11n), toujours sur les bandes de 2,4 et 5 GHz.

Bien évidemment, il faut que l'émetteur et le récepteur disposent du même nombre d'antennes pour profiter au mieux du MIMO. On peut faire une analogie avec une route avec une ou plusieurs voies : s'il y a trois voies en entrée, mais une seule en sortie (ou vice-versa), cela ne sert pas à grand-chose.

Wi-Fi MIMO
Crédits : D-Link

Attention au marketing du débit

Il faut également bien faire attention aux arguments marketing mis en avant par les fabricants : derrière du Wi-Fi 802.11n à 450 ou 600 Mb/s (parfois écrit N450 ou N600), peuvent se cacher plusieurs choses bien différentes. Un produit peut ainsi proposer 450 Mb/s en 3x3 MIMO sur la bande des 2,4 GHz uniquement, ou bien 300 Mb/s + 150 Mb/s (deux flux en 2,4 GHz et un en 5 GHz) ou bien encore en 150 Mb/s + 300 Mb/s (un flux en 2,4 GHz et deux en 5 GHz).

Avec 600 Mb/s, on multiplie encore plus les possibilités, même si souvent les constructeurs proposent en fait 300 Mb/s + 300 Mb/s. On retrouve également des routeurs avec 450 Mb/s sur la bande des 2,4 GHz et 450 Mb/s sur celle des 5 GHz (3x3 MIMO sur chaque bande), ce qui donne un total magique de 900 Mb/s, mais impossible à atteindre entre un routeur et un terminal mobile (il ne peut se connecter qu'à une seule des deux bandes à la fois).

On regrettera d'ailleurs que les constructeurs ne détaillent pas toujours avec exactitude la composition du Wi-Fi au sein de leurs appareils (ordinateurs portables, smartphones, etc.).

Beamforming et band steering pour optimiser autant que possible la connexion

En plus du MIMO, une autre technologie intéressante est arrivée avec le 802.11n : le beamforming ou focalisation. Pour faire simple, il s'agit d'adapter le signal émis par le routeur afin de cibler plus précisément un appareil, augmentant ainsi les débits sur celui-ci.

On peut faire un parallèle avec une lampe torche : la lumière peut être diffuse et arroser une large zone, ou bien plus ciblée et plus puissante. Le beamforming est également utilisé pour la 5G (voir cette actualité).

De son côté, le band steering est une technologie qui permet au routeur et au terminal mobile d'échanger des informations et de se connecter sur la bande de fréquence la plus adaptée. Par exemple, dans le cas où le réseau 2,4 GHz et 5 GHz portent le même SSID, les terminaux se connecteront par défaut au premier, alors que le second offre généralement plus de débit. Ce comportement est dû à la norme 802.11 explique D-Link. Parfois, cette fonctionnalité prend le nom de Smart Connect.

Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles : préférer la bande des 5 GHz, forcer les 5 GHz (ce qui empêche de se connecter en 2,4 GHz) ou bien faire une balance des charges entre les deux. Suivant l'encombrement des fréquences, un client pourra donc être connecté en 2,4 GHz si le routeur estime qu'il aura plus de débit.

Beamforming TP-LinkBand Steering
Beamforming / Band Steering. Crédits : TP-Link (à gauche) et Swisscom (à droite)

802.11ac : montée en débit sur les 5 GHz, avec un maximum de 1,3 Gb/s...

On trouve encore de nombreux produits d'entrée de gamme en Wi-Fi 802.11n, mais cette norme est aujourd'hui largement dépassée par le Wi-Fi 802.11ac (évidemment rétrocompatible avec le 802.11n et les précédentes). Cette dernière apporte en effet de nombreuses nouveautés.

Premier point important : les améliorations du Wi-Fi 802.11ac ne concernent que la bande des 5 GHz. Elles se décomposent pour le moment en deux vagues : la première – Wave 1 – a été officialisée en 2013, mais des produits étaient déjà disponibles depuis au moins un an dans le commerce.

Elle prend en charge des largeurs de bandes jusqu'à 80 MHz (contre 40 MHz pour le 802.11n), permettant ainsi de doubler les débits. Elle permet d'agréger jusqu'à trois flux en même temps (3x3 MIMO). Dernier changement et pas des moindres : le 802.11ac utilise du QAM 256 (modulation d'amplitude en quadrature), contre du QAM 64 auparavant. Les débits augmentent ainsi de 25 à 33 % en moyenne. 

Au total, le débit maximum théorique est de 433 Mb/s sur un seul canal, et donc de 1,3 Gb/s en 3x3 MIMO. La différence avec le 802.11n est importante : avec un seul canal, le 802.11ac fait presque aussi bien que le 802.11n en 3x3 MIMO, ce qui nécessite d'avoir un routeur et un terminal compatible.

Cette fois encore, les constructeurs en profitent souvent pour gonfler les chiffres en additionnant les débits maximums sur les bandes de 2,4 et 5 GHz. Par exemple, un routeur est annoncé jusqu'à 1,75 Gb/s par le fabricant, alors qu'il s'agit en fait de 450 Mb/s sur les 2,4 GHz (3x3 MIMO) et de 1,3 Gb/s sur les 5 GHz (3x3 MIMO).

Cisco 802.11ac
Crédits : Cisco

... jusqu'à 3,4 Gb/s avec la Wave 2, qui apporte aussi le MU-MIMO

La Wave 2 officialisée l'année dernière passe à des blocs de fréquences de 160 MHz (permettant encore de doubler la bande passante théorique) et grimpe jusqu'à quatre flux simultanés (4x4 MIMO).

Le débit maximum théorique est donc de 3,4 Gb/s sur des blocs de 160 MHz de large (contre 1,7 Gb/s sur des blocs de 80 MHz avec la Wave 1). Au total, la norme 802.11ac telle que ratifiée par l'IEEE permet de grimper encore plus haut avec jusqu'à 8 flux en simultanés, soit un débit théorique de... 6,9 Gb/s. Va-t-on voir arriver une Wave 3 ou bien une nouvelle norme sera-t-elle déployée avant ? Impossible à dire pour le moment.

Le 802.11ac Wave 2 ajoute également une autre nouveauté : le MU-MIMO (Multiple Users MIMO). Pour faire simple, cela permet au routeur de communiquer avec plusieurs appareils simultanément en MIMO, plutôt que chacun leur tour. Bien évidemment, le MU-MIMO peut fonctionner de pair avec la focalisation (beamforming).

Wi-Fi QualcommWi-Fi Qualcomm

Dans la jungle, terrible jungle des arguments marketings

Parfois, des constructeurs annoncent des débits supérieurs à ce que la norme autorise. Par exemple, un routeur à 2,167 Gb/s sur la bande des 5 GHz, avec « seulement » du 4x4 MIMO et des blocs de 40 MHz. Le maximum théorique devrait être de 1,7 Gb/s (4x 433 Mb/s) dans cette configuration. Il s'agit d'un tour de passe-passe avec un QAM 1024 au lieu de 256 (parfois sous l'appellation TurboQAM, NitroQAM, etc.), permettant d'augmenter les débits de 25 % environ. Mais cela va au-delà de la norme qui préconise du QAM 256 uniquement.

En 802.11ac, certains constructeurs parlent parfois de « triple band » pour leurs produits. Il s'agit en fait d'utiliser une bande en 2,4 GHz et deux bandes différentes sur les 5 GHz, généralement avec l'une des deux qui offre de meilleures performances. Vous pourrez donc voir jusqu'à trois réseaux en simultanée.

Quand on vous annonce plus de 5 Gb/s en 802.11ac, cela ne veut en aucun cas dire que vous pourrez atteindre une telle vitesse entre un portable et un routeur : c'est l'addition des débits des bandes de 2,4 et 5 GHz. 

Généralement, les fabricants détaillent les débits qu'il est possible de tenir sur chaque bande de fréquence dans les caractéristiques techniques des produits, ce qui nécessite de fouiller un peu. Mais sur la page de présentation ou sur le packaging, c'est généralement la vitesse maximum cumulée qui est largement mise en avant. Ces derniers comptant sur le réflexe « bigger is better » du consommateur moyen.

Routeur ASUS RT-AC5300
Exemple d'un routeur à 5,3 Gb/s

802.11ad (WiGig) : nouvelle fréquence, portée réduite, débits encore augmentés

La norme 802.11ad était initialement connue sous le nom WiGig et poussée par la WiGig Alliance. Elle fait désormais partie de la Wi-Fi Alliance. Attention, contrairement à ce qu'on son nom pourrait laisser penser, il ne s'agit pas d'une évolution du 802.11ac, mais d'un « complément » pour reprendre la formulation consacrée.

Le 802.11ad exploite une autre bande de fréquences dans les 60 GHz. Sa portée est donc très limitée, mais elle permet d'obtenir des débits beaucoup plus importants pouvant atteindre 7 Gb/s. Elle peut notamment trouver une utilité dans une station d'accueil sans fil pour ordinateur portable.

Certaines machines disposent d'ailleurs déjà du Wi-Fi 802.11ad et on trouve des routeurs compatibles dans le commerce. Dans tous les cas, les produits certifiés 802.11ad doivent être rétrocompatibles avec le 802.11ac et donc avec les normes précédentes.

Talon AD 7200
Le Wi-Fi 802.11ad permet d'atteindre 4,6 Gb/s sur une seule bande de fréquence, contrairement au 802.11ac

Wi-Fi HaLow (802.11ah) pour les objets connectés 

Le 802.11ah, aussi connu sous le petit nom de Wi-Fi HaLow est une norme récente puisqu'elle a été annoncée officiellement en janvier 2016. Elle est principalement pensée pour les objets connectés avec une portée plus importante que du Wi-Fi classique, tout en consommant moins d'énergie. Les débits sont évidemment assez faibles puisqu'il est question de quelques dizaines de Mb/s.

Cette fois-ci, une bande de fréquence bien plus basse est utilisée : elle se situe en dessous du gigahertz. Comme en téléphonie mobile, elle porte plus loin et pénètre mieux dans les bâtiments. Attention, les fréquences ne sont pas unifiées au niveau mondial.

Trouver des blocs disponibles sous le gigahertz n'est pas chose évidente, car il s'agit de fréquences en « or ». Par exemple, en Europe elles sont de 863 à 868 MHz, contre 902 à 928 MHz aux États-Unis, 916,5 à 927,5 MHz au Japon, etc. Pour rappel, une autre norme Wi-Fi permet de connecter des objets connectés sur des distances encore plus longues : le 802.11af avec des fréquences comprises entre 54 et 790 MHz.

Pour résumer, voici une image regroupant les différentes technologies avec leur portée (les débits sont inversement proportionnels). Le Wi-Fi 802.11ad sur les 60 GHz est celui qui porte le moins loin, suivi par la bande des 5 GHz, 2,4 GHz, 900 MHz et enfin le 802.11af : 

Wi-Fi HaLow
Crédits : MWRF

802.11ax : pas encore ratifiée, mais déjà des routeurs à 6 Gb/s

Si le 802.11ad est simplement un « complément », la norme 802.11ax sera une véritable évolution du 802.11ac. Comme cette dernière, elle exploitera des bandes de 2,4 et 5 GHz avec la possibilité d'agréger jusqu'à 12 flux. Elle n'est par contre pas encore finalisée par la Wi-Fi Alliance, ce qui n'empêche pas certains fabricants de quand même annoncer des produits. 

C'est par exemple le cas d'ASUS avec son routeur RT-AX88U. Selon le constructeur, il permettra d'atteindre près de 6 Gb/s, ce qui correspond en pratique à 1 148 Mb/s sur les 2,4 GHz et 4 804 Mb/s sur les 5 GHz.

Qualcomm a également lancé deux puces, avec un débit maximum annoncé de 4,8 Gb/s.

802.11s et réseaux Wi-Fi maillés (Mesh)

La norme 802.11s permet d'utiliser plusieurs bornes afin d'étendre la couverture Wi-Fi, sous la forme d'un réseau unique appelé mesh (réseau maillé). Depuis votre terminal mobile, vous ne voyez ainsi qu'un seul nom de réseau, quelle que soit la borne Wi-Fi à laquelle vous êtes connectés. Google Wifi l'utilise, mais c'est l'une des rares solutions à le faire.

D'autres constructeurs proposent également des solutions mettant en avant la technologie « mesh », mais avec une implémentation maison, et elles ne se valent pas toutes.

Wi-Fi Direct et Miracast

Le Wi-Fi Direct permet à des terminaux de se connecter directement entre eux, ce que l'on peut faire aussi avec du Bluetooth d'une certaine manière : deux smartphones, une tablette et une imprimante, etc. Cette technologie est notamment utilisée par Miracast (lancée en 2012), également développé par la Wi-Fi Alliance.

Pour rappel, cette dernière permet de diffuser des vidéos (et tous types de documents multimédia) jusqu'en 4K UHD entre deux terminaux certifiés, sans avoir besoin de les relier par un fil ou de les connecter au même réseau local à l'aide d'un routeur par exemple. Cette technologie a notamment été poussée par Intel avec son WiDi.

Wi-Fi TimeSync pour une synchronisation en dessous de la microseconde

Un des pires ennemis des solutions multi-room et des enceintes sans fil est le décalage temporel. Si la musique est en retard ou en avance d'une demi-seconde dans le salon par rapport à la cuisine, cela peut rapidement tourner à la cacophonie. Idem avec des enceintes Wi-Fi sans fil dans une installation home cinéma.

La Wi-Fi Alliance a donc cherché une solution pour synchroniser tout ce petit monde, et ce avec une latence inférieure à la microseconde : TimeSync. Les premiers appareils certifiés devraient arriver d'ici la fin de l'année. Notez qu'il n'est a priori pas possible de passer par une mise à jour pour profiter de cette technologie, qui intègrera de nouveaux produits.

Wi-Fi Location : géolocalisation à moins d'un mètre

Utiliser du Wi-Fi pour être géolocalisé n'est pas nouveau, mais la Wi-Fi Alliance veut aller encore plus loin avec la certification Wi-Fi Location. Elle exploite le Fine Timing Measurement (FTM) permettant de déduire la distance entre un terminal et un point d'accès en fonction du temps mis par le signal pour faire l'aller-retour (bref, rien de neuf). Avec au moins trois bornes, il est ensuite possible de faire de la triangulation.

Pour fonctionner, il n'est pas nécessaire que le smartphone soit connecté à la borne, les trames FTM peuvent être transmises en phase de pré-association. Pour tirer parti d'une géolocalisation accrue de moins d'un mètre, il faut que les terminaux et les points d'accès soient certifiés Wi-Fi Location.

Wi-Fi Aware : découverte et échanges de proximité

De son côté, Wi-Fi Aware permet de découvrir et faire communiquer des appareils se trouvant à proximité. En passant devant une boutique, vous pouvez par exemple recevoir une notification avec des promotions. Dans les transports en commun, Wi-Fi Aware permet de trouver des personnes avec qui vous pouvez jouer en réseau par exemple.

Des usages qui font là encore penser au Bluetooth avec les beacons. L'Alliance explique que cette technologie a été spécialement pensée pour économiser de la batterie, malgré le fait que le Wi-Fi soit constamment à l'écoute de ce qui se passe aux alentours. Notez qu'Android 8.0 (Oreo) supportera cette technologie.

Wi-Fi Vantage pour environnements denses

Vantage est un programme d'optimisation de la Wi-Fi Alliance. Il permet d'assurer à des utilisateurs que les périphériques offriront « la meilleure expérience Wi-Fi dans les aéroports, les stades, les bureaux, les campus », etc. Bref, dans des lieux avec une forte densité de personnes et donc d'utilisateurs potentiels. 

Plusieurs technologies sont mises en avant : du 802.11ac évidemment, mais aussi Wi-Fi Passpoint pour une connexion simplifiée sécurisée, ainsi qu'Agile Multiband et Optimized Connectivity pour une utilisation intelligence du spectre. Dans ces deux dernières, on retrouve tout un tas de normes (dont le band steering que nous avons déjà évoqué) : 

  • 802.11ai : permet d'établir une connexion sécurisée en moins de 100 ms
  • 802.11k : permet à plusieurs points d'accès et clients d'échanger des informations sur l'environnement Wi-Fi
  • 802.11v : utilise les informations sur le réseau afin de faciliter son amélioration globale
  • 802.11u : permet aux clients de récupérer des services d'urgence et des informations avant de se connecter
  • 802.11r : permet une transition rapide entre les différents points d'accès d'un même réseau (« r » pour roaming)

Puisque l'on parle des professionnels, citons également Wi-Fi Voice Programs. Il s'agit d'outils permettant de s'assurer d'une bonne qualité de transmission de la voix en utilisant le Wi-Fi.

Wi-Fi 802.11rWi-Fi 802.11r
Exemples de fonctionnement du 802.11r. Crédits : Cisco


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