Wi-Fi

Le Wi-Fi est un ensemble de normes concernant les réseaux sans fil qui ont été mises au point par le groupe de travail 11 du comité de normalisation LAN/MAN de l'IEEE (IEEE 802). Sa première norme est publiée en 1997, et permet des échanges à une vitesse théorique de 2 Mbit/s. Le protocole se développe en 1999, avec la publication des amendements IEEE 802.11a et 802.11b, permettant respectivement des transferts de 54 Mbit/s et 11 Mbit/s théoriques.

Le terme « Wi-Fi » suggère la contraction de « Wireless Fidelity », par analogie au terme « Hi-Fi » pour « High Fidelity » (apparu dans les années 1930^[6]). Cependant, bien que la Wi-Fi Alliance ait elle-même employé fréquemment ce terme dans divers articles de presse internet (notamment dans le slogan « The Standard for Wireless Fidelity »), selon Phil Belanger, membre fondateur de la Wi-Fi Alliance, le terme « Wi-Fi » n'a jamais eu de réelle signification^[7]. Il s'agit bien néanmoins d'un jeu de mots avec « Hi-Fi ».

Le terme « Wi-Fi » est issu de la Wi-Fi Alliance, une association créée en 1999^[8] ; il a été inventé par la société Interbrand, spécialisée dans la communication de marque, afin de proposer un terme plus attractif que la dénomination technique « IEEE 802.11b Direct Sequence ». Interbrand est également à l'origine du logo rappelant le symbole du Yīn et du Yang. La marque Wi-Fi a été déposée en France à l'Institut national de la propriété industrielle (INPI) en juin 2000^[9].

Le Grand Dictionnaire terminologique note que « l'usage a hésité un temps entre le masculin et le féminin, mais a finalement penché vers le masculin »^[10].

Le Larousse, le Multidictionnaire de la langue française et Usito considèrent le mot comme uniquement masculin^{[11],[12],[13]} tandis que Le Grand Robert le considère masculin ou féminin^[2].

Les normes 802.11 s’attachent 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 quatre types de codage de l’information ;
• la couche liaison de données, constituée 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 radioélectriques 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. Les normes 802.11 proposent donc en réalité trois couches (une couche physique appelée PHY et deux sous-couches relatives à la couche liaison de données du modèle OSI), définissant des modes de transmission alternatifs que l'on peut représenter de la manière suivante :

Il est possible d’utiliser n’importe quel protocole de transport basé sur IP sur un réseau 802.11 au même titre que sur un réseau Ethernet.

Il existe différents modes de mise en réseau :

Mode qui permet de connecter les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi entre eux via un ou plusieurs points d’accès (PA) qui agissent comme des concentrateurs (exemple : répéteur ou commutateur en réseau Ethernet). Autrefois ce mode était essentiellement utilisé en entreprise. Dans ce cas, la mise en place d’un tel réseau oblige de poser à intervalles réguliers des bornes « Point d’accès » (PA) dans la zone qui doit être couverte par le réseau. Les bornes, ainsi que les machines, doivent être configurées avec le même nom de réseau (SSID = Service Set IDentifier) afin de pouvoir communiquer. L’avantage de ce mode, en entreprise, est de garantir un passage obligé par le Point d’accès: il est donc possible de vérifier qui accède au réseau. Actuellement les FAI, les boutiques spécialisées et les grandes surfaces fournissent aux particuliers des routeurs sans fil qui fonctionnent en mode « Infrastructure », tout en étant très faciles à configurer.

Mode qui permet de connecter directement les ordinateurs équipés d’une carte Wi-Fi, sans utiliser un matériel tiers tel qu’un point d’accès (en anglais : Access Point, ou AP). Ce mode est idéal pour interconnecter rapidement des machines entre elles sans matériel supplémentaire (exemple : échange de fichiers entre portables dans un train, dans la rue, au café…). La mise en place d’un tel réseau consiste à configurer les machines en mode « Ad hoc » (au lieu du mode « Infrastructure »), la sélection d’un canal (fréquence), d’un nom de réseau (SSID) communs à tous et si nécessaire d'une clé de chiffrement. L’avantage de ce mode est de s’affranchir de matériels tiers, c'est-à-dire de pouvoir fonctionner en l'absence de point d'accès. Des protocoles de routage dynamique (exemples : OLSR, AODV…) rendent envisageable l'utilisation de réseaux maillés autonomes dans lesquels la portée ne se limite pas à ses voisins (tous les participants jouent le rôle du routeur).

Un point d'accès en mode « Pont » sert à connecter un ou plusieurs points d'accès entre eux pour étendre un réseau filaire, par exemple entre deux bâtiments. La connexion se fait au niveau de la couche 2 OSI. Un point d'accès doit fonctionner en mode « Racine » (« Root Bridge », généralement celui qui distribue l'accès Internet) et les autres s'y connectent en mode « Bridge » pour ensuite retransmettre la connexion sur leur interface Ethernet. Chacun de ces points d'accès peut éventuellement être configuré en mode « Pont » avec connexion de clients. Ce mode permet de faire un pont tout en accueillant des clients comme le mode « Infrastructure ».

Un point d'accès en mode « Répéteur » permet de répéter un signal Wi-Fi plus loin (par exemple pour atteindre un fond de couloir en « L »). Contrairement au mode « Pont », l'interface Ethernet reste inactive. Chaque « saut » supplémentaire augmente cependant le temps de latence de la connexion. Un répéteur a également une tendance à diminuer le débit de la connexion. En effet, son antenne doit recevoir un signal et le retransmettre par la même interface ce qui en théorie divise le débit par deux.

Le standard IEEE 802.11 est initialement publié en 1997, et offre des débits de 1 ou 2 Mbit/s (Wi-Fi est un nom commercial, et c’est par abus de langage que l’on parle de « normes » Wi-Fi). Des révisions ont ensuite été apportées à ce standard afin d’augmenter le débit, par le biais d'amendements (c’est le cas des amendements 802.11a, 802.11b, 802,11 g, 802.11n et 802.11ac) ou de spécifier des fonctions de sécurité ou d’interopérabilité. Régulièrement, les changements cumulés apportés par les amendements 802.11 sont regroupés en nouvelles versions du standard 802.11, qui sont identifiées par leur année de parution^[14]. Le tableau suivant présente les différentes versions du standard 802.11, ainsi que les principaux standards et amendements qu'ils incorporent:

Le tableau suivant présente les principaux amendement du standard 802.11 et leur signification :

Linksys, la division grand public de Cisco Systems, avait développé en 2006 la technologie SRX pour « Speed and Range Expansion » (« vitesse et portée étendue »). Celle-ci agrégeait le signal de deux canaux 802,11 g pour doubler le taux de transfert des données. Le taux maximum de transfert des données via un réseau sans fil SRX400 dépassait alors les capacités des réseaux filaires Ethernet 10/100 que l’on utilisait en 2006 dans la plupart des réseaux.

En intérieur, la portée peut atteindre plusieurs dizaines de mètres (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres) s'il n'y a aucun obstacle gênant (mur en béton par exemple) entre l’émetteur et l’utilisateur. Ainsi, des fournisseurs d’accès à Internet peuvent établir un réseau Wi-Fi connecté à Internet dans une zone à forte concentration d’utilisateurs (gare, aéroport, hôtel, train, etc.). Ces zones ou points d’accès sont appelés bornes ou points d’accès Wi-Fi ou « hot spots ».

En extérieur, l'actuel record est détenu par Ermanno Pietrosemoli, président de la Fondation de l’école Latino-américaine de Redes, avec une distance de 382 km^[24].

Les iBooks d’Apple furent, en 1999, les premiers ordinateurs à proposer un équipement Wi-Fi^[25] intégré (sous le nom d’AirPort), bientôt suivis par le reste de la gamme. D'autres ordinateurs commencent ensuite à être vendus avec des cartes Wi-Fi intégrées tandis que les plus anciens doivent s’équiper d’une carte Wi-Fi externe adaptée (PCMCIA, USB, CompactFlash, PCI, MiniPCI, etc.). À partir de 2003, on voit aussi apparaître des ordinateurs portables intégrant la plate-forme Intel Centrino, qui permet une intégration simplifiée du Wi-Fi^[26].

Les PDA eurent également des cartes Wi-Fi intégrées dans la fin des années 1990, principalement Palm OS et Windows Mobile.

Le Wi-Fi apparaît pour la première fois en 1997^[27] quand naissent des interrogations sur l'impact des radiofréquences des téléphones mobiles, les antennes relais et autres sources de rayonnement sur la santé humaine ou les écosystèmes^[28]. Des débats scientifiques se sont multipliés autour du téléphone mobile, puis des technologies radio reposant sur les micro-ondes, notamment les technologies GSM, WiMAX, UMTS (la 3G), HSDPA (la 3G+), le LTE (4G) ou encore le DECT et le Wi-Fi.

Les ondes Wi-Fi sont maintenant presque omniprésentes dans l'environnement humain. Mais leur fréquence relativement élevée (2,4 GHz et 5 GHz)^[27] les font mal traverser les murs. En outre, la puissance des équipements Wi-Fi (~30 mW) est en moyenne vingt fois moindre que celle des téléphones mobiles (~600 mW)^[29]. De plus, le téléphone est généralement tenu près du cerveau, ce qui n'est pas le cas de certains équipements émettant des ondes Wi-Fi (les box internet ou les téléphones avec micro et écouteur filaires). À une dizaine de centimètres, la densité de puissance du signal est déjà fortement atténuée ; pour une antenne isotrope, elle est inversement proportionnelle au carré de la distance :

${\displaystyle {P={\frac {\text{PIRE}}{4\pi D^{2}}}}}$ ,

avec PIRE [W] = puissance isotrope rayonnée équivalente. Dans les deux cas (téléphone et Wi-Fi), il faut prendre en compte le fait qu'ils émettent 24 h sur 24 ou pas, et si on passe beaucoup de temps près de la source.

Les « effets thermiques » des ondes Wi-Fi sont censées comporter un risque faible. Mais depuis le début des années 2010, une exposition croissante et presque constante des humains a justifié de nombreuses études nouvelles, dont certaines détectent des effets non-thermiques.

Certains organismes concluent qu'il n'y pas ou peu de risques sanitaires, dans le cadre d'une utilisation normale et avec des appareils qui respectent les normes de sécurité.

Santé Canada, sur le site du gouvernement canadien, affirme, tout en citant ses sources, qu'il n'y a aucun risque pour la santé associé aux champs électromagnétiques de radiofréquences émis par des appareils Wi-Fi utilisés à la maison, dans les écoles et dans certains endroits publics, à condition que ces derniers respectent les normes de sécurité^[30].

Pour l'ANSES, il n'est pas nécessaire de durcir les seuils d'exposition de la population aux radiofréquences. Dans son avis de 2013, qui rassemble environ 300 études scientifiques, l'agence inclut également les systèmes Wi-Fi et WiMax. Cette dernière ne semble guère plus avancée qu'en 2009^[31].

L'Agence de protection de la santé (Health Protection Agency) du Royaume-Uni affirme, sur la base des informations scientifiques actuelles (2013), qu'il n'existe à ce jour aucune preuve cohérente de l'impact néfaste sur la santé de la population générale de l'exposition aux signaux radiofréquences émis par le Wi-Fi et les réseaux locaux sans fil. Cette agence gouvernementale britannique ajoute que l'exposition aux équipements Wi-Fi est conforme aux lignes directrices internationales. De plus, selon elle, il n'y a aucune preuve cohérente des effets sur la santé liés à une exposition aux radiofréquences inférieure aux niveaux recommandés. L'agence ajoute également que rien ne justifie que les écoles et autres établissements n'utilisent pas d'équipements Wi-Fi. Enfin, elle souligne que, selon les connaissances actuelles, l'exposition aux radiofréquences provenant du Wi-Fi est probablement inférieure à celle des téléphones portables^[32].

Dans une étude synthétisant l'état des recherches publiée en 2013, Kenneth Foster et John Moulder affirment qu'il n'existe pas de preuve de risques pour la santé sur le Wi-Fi^[33].

En 2018, Martin Pall (en) reproche aux auteurs de cette étude (qu'il juge proches de l'Industrie), d'avoir affirmé qu'il n'existait que sept études importantes sur le Wi-Fi, montrant toutes une absence d'effet. Or, selon Martin L. Pall « aucune de celles-ci n'était des études sur le Wi-Fi, chacune différant du Wi-Fi authentique de trois manières distinctes. F&M pouvaient tout au plus conclure qu'il n'y avait aucune preuve statistiquement significative d'un effet. Les petits nombres étudiés dans chacune de ces sept études liées à F&M montrent que chacune d'elles n'a pas le pouvoir de tirer des conclusions substantielles »^[34].

Un article publié dans la même revue critique l'analyse de Martin L. Pall sur les sept effets potentiels de l'exposition au Wi-Fi. Pour l'auteur, l'analyse de Pall est biaisée car les effets ont été étudiés in vitro ou sur des animaux en laboratoire et non sur des êtres humains. De plus, les conclusions et le titre de l'article de Martin L. Pall ne sont pas appropriés^[35].

Le Wi-Fi utilise principalement les bandes de fréquence dites « industrielle, scientifique et médicale », ISM, de 2,4 à 2,483 5 GHz et de 5,150 GHz à 5,850 GHz, partagées avec d'autres types d'usages, ce qui peut conduire à des problèmes d'interférences et de brouillages causés par des fours à micro-ondes, des transmetteurs domestiques, des relais, la télémesure, la télémédecine, la télé-identification, les caméras sans fil, le Bluetooth, les émissions de télévision amateur (amateur TV ou ATV), etc. Inversement, des systèmes tels que la radio-identification (RFID) tendent à compléter les usages du Wi-Fi pour bénéficier de son infrastructure déjà en place, notamment pour la géolocalistaion^[36],[37].

En Wi-Fi, il est recommandé de ne pas utiliser la même fréquence que celle utilisée par les voisins immédiats (collisions) et de ne pas utiliser une fréquence trop proche (interférences). Voir aussi la liste des canaux Wi-Fi.

Cette technologie peut ouvrir les portes à un grand nombre d’applications pratiques. Elle peut être utilisée avec de l’IPv4, ou de l’IPv6, et permet le développement de nouveaux algorithmes distribués^[38].

Les utilisateurs des hotspots peuvent se connecter dans des cafés, des hôtels, des aéroports, etc. et accéder à Internet mais aussi bénéficier de tous les services liés à Internet (World Wide Web, courrier électronique, téléphonie (VoIP), téléphonie mobile (VoIP mobile), téléchargements, etc.). Cet accès est utilisable de façon fixe, mais parfois également en situation de mobilité (exemple : le hotspot disponible dans les trains Thalys).

Les hotspots Wi-Fi contribuent à constituer ce que l'on peut appeler un « réseau pervasif ». En anglais, « pervasive » signifie « omniprésent ». Le réseau pervasif est un réseau dans lequel nous sommes connectés, partout, tout le temps si nous le voulons, par l’intermédiaire de nos objets communicants classiques (ordinateurs, téléphones) mais aussi, grâce à des objets multiples équipés d’une capacité de mémoire et d’intelligence : systèmes de positionnement GPS pour voiture, jouets, lampes, appareils ménagers, etc. Ces objets dits « intelligents » sont d’ores et déjà présents autour de nous et le phénomène est appelé à se développer avec le développement du réseau pervasif. À observer ce qui se passe au Japon, aux États-Unis mais aussi en France, l’objet communicant est un levier de croissance pour tout type d’industrie.

En parallèle des accès classiques de type hotspot, le Wi-Fi peut être utilisé pour la technologie de dernier kilomètre dans les zones rurales, couplé à des technologies de collecte de type satellite, fibre optique, WiMAX ou liaison louée.

Les téléphones et smartphones Wi-Fi (GSM, UMTS, DECT) utilisant la technologie VoIP sont devenus très courants.

Les antennes Wi-Fi à couverture omnidirectionnelles ou hémisphériques sont quantitativement les plus répandues ; elles sont notamment utilisées dans les hotspots Wi-Fi et dans les smartphones. Dans ce groupe d'antennes plusieurs types existent :

• le dipôle ressemblant à un stylo est l’antenne tige basique (¼ d’onde) la plus rencontrée. Il est omnidirectionnel, et est destiné à la desserte de proximité. Il équipe aussi certains modèles de caméras sans fil numériques Wi-Fi à 2,4 GHz (conformes CE) permettant une PIRE (Puissance Isotrope Rayonnée Équivalente) maximale autorisée de 100 mW, 20 dBm (D standard indicatif = 500 m à vue).
• L’antenne colinéaire souvent installée sur les toits. Elle est omnidirectionnelle, son gain, 7 à 15 dBi, est lié à sa dimension verticale pouvant atteindre 2 m.
• Les antennes patch (plates) notamment utilisées dans les smartphones et les tablettes tactiles.

Les deux premiers types fonctionnent en polarisation V ; elles peuvent être considérées comme des antennes de stations d’accueil ou de base puisque compatibles avec un environnement 360°.

• L’antenne panneau peut être intérieurement un réseau d’antenne quad ou d’antenne patch, ou un réseau de dipôles. Le gain commence vers 8 dBi (8 × 8 cm) pour atteindre 21 dBi (45 × 45 × 4,5 cm). C’est l’antenne qui présente le meilleur rapport gain/encombrement et aussi le meilleur rendement, qui se situe autour de 85 à 90 %. Au-delà de ce gain maximum, elle est difficile à fabriquer, car surgissent des 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’un 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 (bras qui éloigne la tête de réception du réflecteur parabolique), donc de la focale, est significatif.

Une parabole satellite (exemple TPS/CS sans tête 11-12 GHz) est exploitable en Wi-Fi, à condition de prévoir une source adaptée : cornet, patch ou quad mono ou double, etc.

• L’antenne à fentes fournit un diagramme sectoriel.

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 qu’elles favorisent une direction privilégiée (plus ou moins ouverte) au détriment d’autres non souhaitées.

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 (reverse polarity SMA), ou N selon le constructeur. Cependant, les antennes à gain (exprimé en dBi ou en dBd) employées à l’émission (réception libre) doivent respecter la réglementation PIRE (puissance isotrope rayonnée équivalente).

Il existe d’autres antennes, moins connues, et celles conçues par les wifistes, comme l’antenne cornet, les antennes 2,5 GHz de réalisation amateur, les Yagi, les cornières, les dièdres, les « discones », etc. mais seules les tiges, les panneaux et les paraboles sont significativement utilisées.

Pour améliorer les échanges, il peut être monté au plus près de l’antenne un préamplificateur d’antenne (RX) avec ou sans ampli de puissance mais toujours de type bidirectionnel.

* Certains passages de cet article, ou d’une version antérieure de cet article, sont basés sur l’article Introduction au Wi-Fi (802.11) du site Web Comment ça marche ?. L’article d’origine porte la notice de copyright suivante : « © Copyright 2003 Jean-François Pillou - Hébergé par Web-solutions.fr. Ce document issu de CommentCaMarche.net est soumis à la licence GNU FDL. Vous pouvez copier, modifier des copies de cette page tant que cette note apparaît clairement. »

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