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Architecture Wi-Fi, mise en œuvre et applications

La technologie Wi-Fi est actuellement omniprésente ; le nombre de dispositifs Wi-Fi utilisés dépasse celui des habitants de la planète, alors que plus de la moitié du trafic Internet passe par les réseaux Wi-Fi. De toute évidence, une technologie offrant ce niveau de pénétration doit présenter des avantages convaincants. Cet article examine ces avantages, explique comment la technologie Wi-Fi les rend disponibles et présente les derniers dispositifs utilisés pour étendre les possibilités du Wi-Fi.

Contrairement à une idée largement répandue, Wi-Fi n'est pas l'acronyme de « Wireless Fidelity » (fidélité sans fil). En fait, Wi-Fi n'est pas un acronyme ; c'est un nom de marque développé pour la Wireless Ethernet Compatibility Alliance (WECA) en 1999, après la fondation du groupe dans le but de « favoriser l'adoption d'une seule norme acceptée dans le monde entier pour les réseaux locaux sans fil à grande vitesse ». En 2000, le groupe a adopté le terme Wi-Fi® et annoncé son nom officiel : la WiFi Alliance.

La figure 1 : Logo WiFi Alliance - Image fournie par Wikipedia

Pourquoi le Wi-Fi a-t-il été développé

Les racines du Wi-Fi remontent à 1985, lorsque la FCC (le régulateur américain des télécommunications) a décidé d'ouvrir plusieurs bandes de spectre sans fil sans autorisation administrative préalable. À 900 MHz, 2,4 GHz et 5,8 GHz, ces « bandes poubelle » étaient déjà utilisées par des équipements tels que les fours à micro-ondes. Par conséquent, tout dispositif de communication utilisant ces bandes devait se protéger contre les interférences créées par ce genre d'équipement. La solution consistait à utiliser la technologie d'étalement du spectre, dans laquelle un signal radio est transmis sur une large gamme de fréquences à la place d'une fréquence unique, bien définie et plus courante. L'étalement du spectre rend la détection d'un signal difficile (ce qui est utile pour les applications militaires) et moins sensible aux interférences.

En 1988, NCR Corporation a commencé à étudier le spectre sans licence pour la connexion sans fil des caisses enregistreuses. La société s'est adressée à l'IEEE en vue d'établir une nouvelle norme et cette démarche a abouti à la mise en place de la commission 802.11. En 1997, cette commission a publié la norme de base, reposant sur un débit de transfert de données de 2 Mbit/s avec la transmission à spectre étalé. Deux versions, 802.11b dans la bande 2,4 GHz et 802.11a à 5,8 GHz, ont été ratifiées en décembre 1999 et janvier 2000 respectivement. La poursuite du développement et la participation d'autres organisations ont abouti à la formation de la WECA, puis de l'Alliance Wi-Fi, comme décrit ci-dessus.

Le développement du marché du Wi-Fi a décollé en 1999, quand Apple a proposé cette norme sur ses nouveaux ordinateurs iBook, sous la marque AirPort. D'autres fabricants d'ordinateurs lui ont rapidement emboîté le pas, et le Wi-Fi a séduit les consommateurs, au moment où les dépenses d'entreprise se tarissaient en 2001. À ce jour, le Wi-Fi demeure la technologie privilégiée pour les réseaux domestiques. Avec l'implantation de l'Internet haut débit et l'apparition des routeurs dans la quasi-totalité des foyers, le Wi-Fi a permis aux membres d'une même famille de s'asseoir en face de leurs ordinateurs de bureau, ou de déambuler dans les pièces avec leurs tablettes et leurs smartphones, tout en profitant d'une connectivité Internet simultanée et ininterrompue. Plus récemment, pour accompagner la popularité croissante de l'IoT, les réseaux Wi-Fi domestiques ont misé sur la technologie Alexa d'Amazon afin d'inclure différents dispositifs, comme les systèmes d'éclairage.

Dans le même temps, la norme Wi-Fi elle-même a poursuivi son évolution. Outre sa prédominance dans les réseaux domestiques et les zones de connexion, ses atouts ont su séduire un plus large panel de développeurs de dispositifs IoT et de technologies de pointe. Nous explorerons ce développement ci-dessous en examinant de plus près l'architecture Wi-Fi, et son évolution au fil de nouvelles révisions. Nous pouvons voir comment elle est parvenue à surmonter les obstacles d'origine pour offrir une utilisation IoT plus étendue et devenir plus attractive. L'article présente ensuite quelques exemples de dispositifs Wi-Fi que les concepteurs de systèmes et d'équipements peuvent désormais intégrer à leurs produits.

Architecture Wi-Fi

La norme 802.11 définit comme station tout ordinateur, équipement portable, dispositif mobile ou fixe
Différence entre stations portables et stations mobiles
BSS (ensemble de services de base)
IBSS (ensemble de services de base indépendants) et réseau ad-hoc
Ensembles BSS interconnectés et systèmes de distribution (DS)
Points d'accès
Création de réseaux complexes de grande envergure en combinant les ensembles BSS et les DS au sein d'un ensemble de services étendus (ESS).
Élément fondamental de la norme 802.11 : la connexion de réseau sans fil aux réseaux câblés existants. Utilisation d'un portail pour ce faire.
Services que le DS doit prendre en charge :

Services de station (SS)
Authentification
Annulation de l'authentification
Confidentialité
Livraison de l'unité de données de service MAC (MSDU)

Services de système de distribution (DSS)

Association
Réassociation
Dissociation
Distribution
to Pay

Protocole IEEE 802.11

Le protocole 802.11 est conforme au modèle OSI. La commission de normalisation IEEE 802 définit deux couches distinctes, la couche de contrôle de liaison logique (LLC) et la couche de contrôle d'accès au support (MAC), pour la couche de liaison de données du modèle. La norme sans fil IEEE 802.11 définit les spécifications de la couche physique et de la couche MAC, qui communique avec la couche LLC.

Tous les composants de l'architecture 802.11 relèvent de la sous-couche MAC de la couche liaison de données ou de la couche physique.

Famille évolutive de normes IEEE 802.11

802.11

802.11a

802.11b

802.11g

802.11n

802.11ac

Le site Web de la WiFi Alliance présente d'autres normes et développements. Voici quelques exemples intéressants :

Wi-Fi Agile Multiband : meilleure utilisation des ressources. Comprend plusieurs nouvelles normes dont 802.11k, 802.11v, 802.11u et 802.11r

Wi-Fi HaLow : solution à longue portée en bande de fréquence très basse pour la maison intelligente (Smart Home), la voiture connectée, la santé numérique, l'industrie, la vente au détail, l'agriculture et les applications Smart City

Wi-Fi Miracast : permet l'affichage transparent du contenu multimédia entre les dispositifs Miracast

Comparaison des normes Wi-Fi

L'évolution de la spécification Wi-Fi a permis d'améliorer ses performances en termes de portée et de débit, comme illustré par le tableau ci-dessous (reposant sur des informations préparées par JP Electron) :

Fig.2 : Tableau de comparaison pour les normes Wi-Fi

Ce tableau met en évidence les performances améliorées des normes 802.11n et 802.11ac par rapport aux normes antérieures. Cette différence est importante, car elle crée des opportunités Wi-Fi dans des applications beaucoup plus exigeantes que celles habituellement gérées par les conceptions 802.11b, a et g.

Par exemple, Cisco utilise la technologie 802.11n dans les réseaux sans fil. Pour cette société, cette technologie offre des performances jusqu'à six fois supérieures à celle des réseaux 802.11a/b/g, tout en ajoutant la capacité et la fiabilité requises pour les applications multimédias et stratégiques. La norme 802.11n peut augmenter les performances, la fiabilité et la prévisibilité d'un réseau sans fil.

Utilisant autant de bande passante que 200 dispositifs existants, les smartphones sollicitent de plus en plus les réseaux sans fil. La mise en œuvre de la norme 802.11n peut accompagner l'afflux de nouveaux équipements mobiles, permettant aux organisations de réduire le coût total de possession (TCO, Total-Cost-of-Ownership) d'un réseau sans fil fiable, capable de prendre en charge un large éventail d'applications de mobilité sans compromettre ses performances globales.

La WiFi Alliance promeut la norme Wi-Fi CERTIFIED™ n, basée sur la norme 802.11n, qui garantit qu'un produit a passé des tests rigoureux et peut offrir une excellente expérience utilisateur articulée sur une technologie Wi-Fi avancée. Les dispositifs Wi-Fi CERTIFIED n offrent une vitesse cinq fois supérieure, voire plus, et une portée doublée par rapport aux anciennes normes Wi-Fi. Cette norme associe un débit largement suffisant pour les applications riches en contenu et gourmandes en bande passante, comme la musique, les jeux et la vidéo, à l'intelligence réseau pour garantir la qualité visuelle et audio du contenu multimédia. Un « gros tube » (fat pipe) permet à tous les utilisateurs de se connecter en même temps, pour profiter d'applications telles que la musique numérique, la vidéo en streaming et les jeux en ligne.

Les produits Wi-Fi CERTIFIED n sont tous dotés du mécanisme de sécurité de dernière génération WPA2™ (Wi-Fi Protected Access®) pour offrir le plus haut niveau de protection.

La norme Wi-Fi CERTIFIED™ ac est basée sur la technologie 802.11ac, la dernière génération Wi-Fi offrant des débits de données de plusieurs gigabits par seconde, pour permettre aux dispositifs de gérer des applications exigeantes, telles que la vidéo Ultra HD et 4K, le multimédia en streaming et le transfert rapide de fichiers sur les tablettes, les dispositifs de jeux ou les téléphones portables, notamment. Les dispositifs Wi-Fi CERTIFIED ac combinent une capacité supérieure, une meilleure gestion de l'énergie et une latence plus faible pour gérer facilement les applications exigeantes d'aujourd'hui, tout en ouvrant la voie aux nouveaux produits et services à domicile, dans les lieux publics et dans les réseaux d'entreprise.

Face à l'évolution prévisible de la technologie, cette norme est en position idéale pour s'imposer comme une solution de communications ITO d'envergure, avec des composants allant des capteurs à l'Internet, en passant les routeurs. Il y a juste un an, la WiFi Alliance® annonçait la dernière norme Wi-Fi, la 802.11ah, baptisée « HaLow™ ». Sa certification ne sera pas disponible avant 2018, mais des produits prenant en charge cette spécification sont déjà sur le marché. Conçue spécifiquement pour les applications IoT, elle fonctionne sur la bande de 900 MHz. Elle donc idéale pour les petits paquets de données et les dispositifs optimisés, tels que les capteurs IoT. Avec ces fonctions, elle est très similaire à d'autres technologies basse puissance comme Bluetooth, mais la comparaison s'arrête là.

Outre le fait qu'elle se connecte directement à Internet, contrairement à d'autres options à faible consommation, elle offre également une portée nettement supérieure, pouvant atteindre 1 kilomètre selon certaines estimations. Par comparaison, les autres solutions de matériel RF à faible consommation sont souvent limitées à une portée de 100 mètres ou moins. HaLow offre par ailleurs une plus grande robustesse dans les environnements les plus difficiles et, en raison de sa faible fréquence, elle peut facilement traverser divers obstacles, comme les murs de béton qui auraient tendance à « bloquer » le Wi-Fi actuel.

HaLow fournit la solution idéale pour connecter les composants de l'IoT qui, à l'instar des capteurs, nécessitent ces caractéristiques de basse consommation et de longue portée. En outre, les normes Wi-Fi actuellement en vigueur (la plus récente étant 802.11ac Wave 2 pour le secteur commercial) peuvent également connecter des applications IoT plus gourmandes en données, telles que la surveillance et le contrôle à distance de systèmes. Autrement dit, une gamme d'applications IoT peut être normalisée pour la même technologie sans fil, avec de nombreux dispositifs HaLow censés fonctionner dans les plages 2,4 et 5 GHz, ainsi qu'à 900 MHz.

Wi-Fi et IoT

En principe, les services Wi-Fi peuvent être déployés au sein des dispositifs périphériques utilisés par différentes applications IoT dans les secteurs de l'industrie, des transports ou des municipalités, en dehors des réseaux à domicile. Chaque application dispose d'une priorité spécifique en termes de débit de données, portée, demande d'électricité et coût. D'autres caractéristiques sont également importantes, comme les formats compacts, la configuration de la connexion rapide et un déploiement hautement évolutif. Voici comment l'évolution de la technologie Wi-Fi a géré ces questions :

Faible coût :

Prix traditionnellement élevé des puces Wi-Fi réduit par la production en série
Encore plus de fonctionnalités : la sécurité, la gestion de l'énergie et l'utilisation de micrologiciels et drivers robustes et matures ajoutent de la valeur
Intégration aux microcontrôleurs

Basse consommation

Solutions plus économiques et moins énergivores basées sur les normes 802.11n et 802.11ac (comme la diffusion en mono-flux)
Technologie de procédés de semiconducteurs moderne, à faible consommation

Format compact

Ces procédés de semiconducteurs signifient également que les solutions Wi-Fi peuvent être aussi compactes que d'autres technologies sans fil, et même encore plus robustes

Durée de configuration de connexion rapide

La norme 802.11ai résout cet épineux problème qui perturbait jusqu'à présent le Wi-Fi

Déploiements massifs et évolutifs

Le Wi-Fi peut gérer les applications IoT comportant jusqu'à plusieurs dizaines de millions de nœuds sur d'immenses zones géographiques, grâce à une architecture maillée permettant une longue portée entre les nœuds

Ces développements viennent compléter les facteurs Wi-Fi établis qui facilitent l'utilisation de la technologie dans les applications IoT. Par exemple : les communications, la sécurité et l'intégrité IP, l'exploitation des infrastructures existantes et la flexibilité d'utilisation des spectres sans fil.

Mise à disposition du Wi-Fi dans les applications IoT

Le Wi-Fi a été créé pour permettre aux dispositifs mobiles, tels que les ordinateurs portables, les téléphones et les tablettes de se connecter sans fil à Internet, mais ces équipements impliquent évidemment une interface utilisateur avec écran et clavier. Ces éléments simplifient dans une large mesure l'établissement de la connexion initiale à un dispositif ou une station sans fil et sa sécurisation (la mise à disposition). Toutefois, ce procédé relève du défi pour les produits IoT comme les capteurs, qui n'ont pas une telle interface utilisateur.

Une solution consiste à utiliser la norme WPS (Wi-Fi Protected Setup), la seule norme de l'industrie actuellement disponible pour la mise à disposition des dispositifs sans affichage. Elle a été présentée en 2006 par la WiFi Alliance comme une méthode facile et sûre de mise à disposition des dispositifs qui ne nécessite pas la saisie du nom de réseau ni de mots de passe interminables. Cette norme définit deux méthodes obligatoires pour les points d'accès (AP) compatibles WPS : le numéro d'identification personnel (PIN) et la connexion par bouton-poussoir (PBC).

L'inconvénient évident de la méthode PIN est qu'elle ne fonctionne pas sur les dispositifs sans affichage ; elle nécessite en effet au moins un clavier pour saisir le code PIN. Avec la méthode PBC, l'utilisateur doit appuyer sur deux boutons : un sur le point d'accès et l'autre sur le dispositif configuré. Une fois que l'utilisateur a appuyé sur le bouton du point d'accès, les dispositifs compatibles WPS ont 2 minutes pour se connecter librement au réseau.

La méthode WPS offre à la fois des avantages et des problèmes, qui sont présentés le Livre blanc de Texas Instruments : « A primer to Wi-Fi ® provisioning for IoT applications » (Introduction à la mise à disposition du Wi-Fi ® pour les applications IoT).

Exemples de dispositifs Wi-Fi

Certains composants matériels sont nécessaires pour mettre en œuvre un réseau Wi-Fi tel que décrit ci-dessus, si les dispositifs de terrain comprennent des ordinateurs portables, des téléphones portables ou des capteurs IoT. Ils se divisent en deux catégories : les adaptateurs sans fil destinés à ajouter la connectivité Wi-Fi aux dispositifs de terrain, et un point d'accès servant à transférer le signal Wi-Fi à l'installation Internet locale. Voici quelques moyens pratiques d'ajouter ces fonctionnalités :

Adaptateurs sans fil

Les adaptateurs sans fil actuels peuvent être intégrés au microcontrôleur, fournis sous forme de modules que les fabricants d'appareils et de dispositifs peuvent intégrer au niveau de la carte, ou fournis sous forme de dispositifs USB que l'utilisateur final va brancher, comme illustré par les exemples ci-dessous :

Texas Instruments CC3220 ; puce intégrée dotée d'un microcontrôleur ARM Cortex-M4 et d'un module 802.11bgn Wi-Fi sur puce.

Créé pour l'Internet des Objets (IoT), le dispositif SimpleLink CC3220 est un microcontrôleur sans fil intégrant un microcontrôleur ARM Cortex-M hautes performances, ce qui permet aux clients de développer une application complète avec un seul circuit intégré. Grâce à la solution Wi-Fi sur puce, à Internet et à de robustes protocoles de sécurité, aucune expérience Wi-Fi n'est nécessaire pour un développement plus rapide. Le dispositif CC3220 est une plate-forme complète, comprenant des logiciels, des exemples d'applications, d'outils, des guides d'utilisation et de programmation, des modèles de référence et l'accès à la communauté de support TI E2E™. Le dispositif est proposé dans un boîtier QFN facile à installer.

Le kit de développement SimpleLink™ Wi-Fi® CC3200 LaunchPad™ (avec dispositif dans boîtier QFN) est une plate-forme de développement d'évaluation pour le dispositif CC3200. La carte comprend un système d'émulation embarqué utilisant un dispositif FTDI et dispose de capteurs pour une solution entièrement prête à l'emploi. Cette carte peut être connectée directement à un PC pour utilisation avec les outils de développement, tels que l'environnement de développement intégré (IDE) Code Composer Studio™ Cloud et IAR Embedded Workbench.

La figure 3 : CC3220SF-LAUNCHXLKit de développement

Adaptateur USB LM808 Wi-Fi 433 Mbit/s LM Technologies

Cet adaptateur USB ajoute une connectivité sans fil hautes performances aux dispositifs de terrain, et prend en charge les normes 802.11 ac et a/b/g/n.

La figure 4 :Adaptateur USB LM808 Wi-Fi 433 Mbit/s, 802.11ac

Module Wi-Fi GS1011MEP GainSpan

Permet aux fabricants de dispositifs et d'appareils d'ajouter des capacités Wi-Fi à leurs produits. Deux ports UART série et deux ports SPI. Très faible consommation énergétique.

La figure 5 :

Module WiFi GS1011

Points d'accès

Les points d'accès convertissent les communications courte distance du Wi-Fi en communications longue distance à Internet. Les voies longue distance peuvent être de type Ethernet filaire, sans fil cellulaire ou encore une solution sans fil à longue portée comme LoRaWAN. Ces points d'accès peuvent être mis en œuvre sous forme de modems, routeurs ou passerelles. Les modems sont connectés via une liaison série à un seul dispositif de terrain, tandis que les routeurs permettent à plusieurs dispositifs de partager une même connexion Internet. Les passerelles sont des dispositifs plus performants, exécutant des systèmes d'exploitation complets, tels que Windows ou Linux.

Passerelle double mode Avnet VT-SK-001-A01 Wi-Fi/Bluetooth

La passerelle VT-SK-001-A01 d'Avnet est un kit de démarrage Visible Things. Visible Things est une plate-forme de développement et d'évaluation pour les projets IoT allant de la périphérie du réseau vers l'entreprise. Cette plate-forme propose des composants matériels et les logiciels intégrés pour connecter des capteurs intelligents directement aux logiciels Cloud et d'entreprise. Le kit contient une passerelle double mode STM7F746 ARM Cortex-M7 WIFI/BT et une carte de capteur intelligent Bluetooth basée sur Silicon Labs BGM111. Une carte de passerelle gérant toute la connectivité nécessaire pour le service Cloud via Wi-Fi et une carte de capteur intelligent offrant la connectivité Bluetooth Smart et une gamme de capteurs (mouvement, température/humidité et lumière/proximité). Le kit contient également une antenne intégrée et un câble mini-USB. Un module périphérique GSM avec carte SIM intégrée et options de connecteur est proposé comme carte d'extension de la carte de passerelle pour activer la connectivité cellulaire directement jusqu'aux services logiciels Cloud et d'entreprise.

ICI

La figure 6 : Passerelle double mode Avnet WIFI/BT

Kit de développement Digi International XKA2C-Z7T-W, ZigBee à Wi-Fi

Pour être précis, il s'agit d'une passerelle ZigBee, et non Wi-Fi, mais elle ajoute une autre dimension à la connectivité Wi-Fi.
Elle permet aux ingénieurs de développement de connecter leur réseau ZigBee de dispositifs sur une connexion Internet Wi-Fi via une passerelle XBee.

Kit de développement de passerelle ZigBee vers Wi-Fi

La figure 7 :ZigBee vers Wi-FiKit de développement de passerelle

Conclusions

La Wi-Fi a commencé à gagner du terrain en 1999, quand Apple l'a utilisée pour connecter ses ordinateurs iBook à Internet. Elle représentait la bonne technologie au bon moment, puisqu'elle a surfé sur la dynamique créée par le développement croissant des connexions haut débit domestiques.

Depuis, sa popularité croissante l'a imposée comme une norme de plus en plus omniprésente, offrant de nombreuses variantes pour une large gamme d'applications, avec dans certains cas des spécifications beaucoup plus strictes que prévu initialement en termes de débit de données et de portée.

L'étude de ces différentes variantes n'entre pas dans la portée de cet article, mais vous pouvez les découvrir sur le site Web de la WiFi Alliance.

Cependant, le Wi-Fi restant une solution courante pour différentes applications, des plus simples aux plus exigeantes, les installations système complètes peuvent comprendre plusieurs réseaux Wi-Fi. C'est particulièrement vrai pour les systèmes IoT, dans lesquels la Wi-Fi peut être utilisée aussi bien pour les communications entre les dispositifs périphériques et les passerelles, qu'entre les passerelles et Internet.

La popularité de la norme sans fil est également favorisée par la facilité d'accès offerte aux développeurs, avec un large choix de kits de développement pour les clients et les points d'accès Wi-Fi.