Le WiMax : IEEE 802.16
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Durant la troisième année de formation au sein de l’école ingénieurs2000 à l’Université de Marne-la-Vallée, chaque étudiant réalise un exposé sur un sujet libre lié au domaine de l’informatique ou du réseau.
L’exposé se décompose en deux parties :
- Une présentation orale d’une durée de 30 minutes aux apprentis de la promotion. Vous trouverez le support de la présentation ici.
- Un site Web documentant le sujet. Vous trouverez l’ensemble des informations dans un rapport au format pdf, que vous pouvez visualiser ici.
Les différents exposés sont suivis par Dominique Revuz et Etienne Duris, tous deux Maitres de conférences à l’Université de Marne-la-Vallée. Vous retrouverez les sujets traités par les apprentis des différentes promotions sur le site des exposés IR.
Cet exposé a été réalisé et présenté par Aurélie Schell en février 2007.
Introduction
Le WiFi a été le premier protocole adopté par une grande partie des utilisateurs pour établir des réseaux sans-fils entre plusieurs machines. Cette application du WiFi est adaptée puisqu’elle a été conçue dans ce but.
Actuellement de nombreux protocoles sans-fil sont disponibles, on retrouve notamment l’UMTS, le HSDPA ou encore le WiMax.
Figure 1 – L’étendue du WiMax
Ce schéma permet de distinguer les différentes technologies qui sont utilisées en fonction du type de réseau.
Cette présentation sera centrée sur le WiMax.
Présentation du WiMax
Avec les acquis du WiFi, de nouveaux besoins naissent. D’une part une demande de sécurité puisque les algorithmes de codages utilisés dans le WiFi sont devenus inefficaces (WEP, WPA,…). D’autre part, les utilisations actuelles demandent également une garantie de la qualité de service pour pouvoir assurer des services comme la VoIP et les diffusions multimédia. L’ensemble de ces caractéristiques sera prise en compte dans le WiMax.
Une différence majeure entre le WiFi et le WiMax est que le WiMax est conçu pour couvrir de longues distances avec un débit élevé. De plus, une version « mobile » est prévue pour le WiMax, celle-ci donnera à l’utilisateur en mouvement les mêmes avantages qu’un utilisateur fixe.
Une des forces du WiMax réside dans sa facilité d’adaptation. En effet, les informations fournies peuvent venir de sources différentes. Nous reviendrons plus en détails sur ce point.
Le fonctionnement du WiMax
Une station de base (Base Transceiver Station : BTS) permet d’atteindre des milliers d’utilisateurs. Le WiMax ne nécessite pas que l’abonné soit en ligne visuelle directe (Line Of Sight : LOS) pour qu’une connexion soit établie. En effet, le WiMax permet de franchir de petits obstacles comme des arbres et des maisons ; ceux-ci impliquent tout de même une diminution du débit à 20 Mbit/s. Les obstacles comme les collines ou les immeubles situés entre un utilisateur et une station de base empêchent l’utilisation du protocole WiMax.
Le mode de communication du WiMax est du point à multipoint puisque la station de base émet pour l’ensemble des utilisateurs. Ainsi utilisé le WiMax permettra aux usagers qui ne peuvent actuellement pas bénéficier de haut débit d’y avoir accès. En effet, le WiMax ne nécessite aucun câblage et peut être mis en place rapidement.
Une deuxième solution est d’utiliser le WiMax comme un réseau de collecte (backhaul) afin de récupérer n’importe quelle information par différents réseaux. Ainsi les informations seront transmises à la station de base qui se chargera de relayer les informations vers l’utilisateur. La mise en place de telles infrastructures aboutira à terme à la création de réseaux maillés (mesh network).
Figure 2 – Illustration d’une installation WiMax
Le WiMax se décline en deux versions : fixe et mobile.
Le WiMax fixe nécessite une antenne positionnée à l’extérieur. Les bandes de fréquences entre 2.5 et 3.5 GHz sont utilisées ; celles-ci sont soumises à des licences.
Le WiMax mobile encore appelé IEEE 802.16e quant à lui permet de connecter des clients mobiles à Internet. A terme, il pourra proposer l’ensemble des services actuellement disponible sur les mobiles ainsi que d’autres services comme la VoIP.
Le multipath
Différents obstacles peuvent se trouver entre la station de base et l’utilisateur. Le signal sera ainsi altéré. De plus l’émission peut s’effectuer sur plusieurs canaux, ceux-ci n’arrivant pas forcément au même moment au niveau de la station de base.
Figure 3 – Illustration du phénomène de Multipath
Le délai lié au multipath entraîne une superposition des différents signaux. La réception de ceux-ci perturbe la station de base. Elle devrait obtenir trois signaux et au final elle n’en reçoit qu’un seul altéré par les différentes réflexions qu’il a pu y avoir.
Figure 4 – L’influence du multipath sur les trames
Cet inconvénient va altérer la qualité du signal si le protocole ne peut pas prendre en charge la superposition des signaux. En effet, sur ce schéma, nous pouvons constater en noir les différents signaux transmis et en rouge le signal altéré reçu par l’abonné.
Un moyen d’intervenir sur le multipath est d’utiliser la technique de multiplexage OFDM en utilisant plusieurs sous-canaux. Le WiMax lui va se servir du multipath en utilisant de multiples antennes.
Comme nous l’avons vu précédemment, le WiMax a la possibilité de franchir de petits obstacles comme des collines ou des arbres. Il est évident que ceux-ci entraînent une gêne pour la propagation des ondes. Différents moyens sont mis en œuvre afin de pouvoir tout de même obtenir un signal WiMax si l’utilisateur n’est pas dans la ligne de vue de la station de base ; ceci est appelé un signal NLOS (Non-line-of-sight) en opposition à LOS (Line-of-sight).
Pour permettre les communications NLOS, le WiMax utilise différents moyens pour être moins sensible aux bruits. Voici les différentes méthodes utilisées :
- la technique OFDM
- sous-channelisation
- antennes à haut gain
- transmit diversity scheme (STC)
- modulation adaptive
- technique de correction d’erreur
- requête automatique de répétition de paquets (ARQ)
Historique
A la base, le WiMax est la convergence de deux standards : HiperMan (ETSI : European Telecommunications Standards Institute) et 802.16 (IEEE : Institute of Electrical and Elctronics Engineers). C’est dans ce cadre qu’a été créé, en juin 2001, le consortium appelé WiMax Forum.
Comme nous allons le constater dans le tableau suivant, les différentes normes ne cessent d’évoluer.
| Standard | Description | Publié | Statut |
|---|---|---|---|
| IEEE std 802.16-2001 | Définit des réseaux métropolitains sans fil utilisant des fréquences supérieures à 10 GHz (jusqu'à 66 GHz) | 8 avril 2002 | obsolète |
| IEEE std 802.16c-2002 | Définit les options possibles pour les réseaux utilisant les fréquences entre 10 et 66 Ghz. | 15 janvier 2003 | obsolète |
| IEEE std 802.16a-2003 | Amendement au standard 802.16 pour les fréquences entre 2 et 11 GHz. | 1er avril 2003 | obsolète |
| IEEE std 802.16-2004 (également désigné 802.16d) | Révision des standards de base 802.16, 802.16a et 802.16c. | 1er octobre 2004 | obsolète/actifs |
| IEEE 802.16e (également désigné IEEE std 802.16e-2005) | Apport de la solution mobile du standard, jusqu'à 60 km/h. | 7 décembre 2005 | actif |
| IEEE 802.16f | Spécifie la MIB (Management Information Base), pour les couches MAC et PHY | 22 septembre 2005 | actif |
Comme nous pouvons le constater, une version mobile du WiMax permet d’obtenir une connexion lorsque l’on est en déplacement jusqu’à 60 km/h.