Dans le cadre des réseaux locaux, la suprématie de la norme IEEE 802.11 est indiscutable. Le succès du Wi-Fi est indéniable et il continue une percée fabuleuse. On trouve ce type de réseau chez les particuliers, à l’extrémité de leur accès Internet, mais aussi dans les petites et moyennes entreprises ainsi que dans les grandes mais d’une façon moins accentuée sur cette dernière catégorie. Le déploiement est également important dans les lieux publics et les centres universitaires ainsi que les hôtels et les hôpitaux.

La norme IEEE 802.11 couvre de très nombreux documents normatifs, allant des technologies à 11, 54 et 190 Mbit/s jusqu’à des utilisations dans les réseaux mesh et ad hoc.

Les normes correspondant aux lettres à partir du 802.11t s’occupe de compléter la gestion, la sécurité et la portée du Wi-Fi. L’IEEE 802.11y se préoccupe en particulier d’allonger la distance d’accès à l’antenne par l’utilisation de fréquence beaucoup plus basse tout en restant à des puissances de 100 milliwatt.

L’ensemble des lettres de l‘alphabet étant utilisé, la première norme à deux lettres 802.11aa devrait probablement correspondre à la 4è génération de Wi-Fi avec un débit de l’ordre du 1 gigabit par seconde obtenu grâce au MIMO (Multiple In Multiple Out) et des antennes directives virtuelles. Le groupe de travail actuel s’appelle le 802.11vht (very high throughput) et il utilise la technologie PU2RC (Per-User Unitary Rate Control) qui permet d’affecter les multiples antennes à des utilisateurs différents. Nous allons rentrer un peu plus dans les détails dans la prochaine section.

Une autre solution pour augmenter la capacité du Wi-Fi est d’utiliser la radio cognitive sur des bandes déjà licenciées et avec des largeurs de bande bien plus importantes. Nous décrirons cette solution dans la dernière section de cet article.

IEEE 802.11vht

L’idée du standard IEEE 802.11vht a été lancée en 2007 avec la mise sur pied du groupe d’étude very high throughput. Les trois grandes directions de recherche proposées regroupent les antennes virtuelles, la technique d’accès PU2RC (Per-User Unitary Rate Control) qui permet d’allouer chaque antenne virtuelle à un utilisateur différent et une plate-forme MIMO multi-utilisateurs.

Globalement, l’idée est de multiplier les antennes et de les virtualiser : une antenne peut transmettre des informations spécifiques vers plusieurs utilisateurs différents en même temps. Une antenne physique peut alors prendre en charge plusieurs antennes virtuelles. Sur le schéma de la figure 1, il y a deux antennes physiques et chaque antenne physique donne naissance à trois antennes virtuelles. Nous avons donc, dans le cas décrit à cette figure, six antennes disponibles. La virtualisation peut s’obtenir par des émissions directionnelles permettant de séparer les émissions des antennes virtuelles. De ce fait, il est possible de transmettre plusieurs flux distincts à des utilisateurs différents en même temps.

En revenant au cas de la figure 1, les six antennes peuvent transmettre vers six utilisateurs distincts. Mais il est également possible d’utiliser du MIMO qui permet à plusieurs antennes de transmettre sur la même fréquence pour accélérer le débit, comme ceci est réalisé dans l’IEEE 802.11n. On pourrait donc par exemple avoir deux communications MIMO de trois antennes mais pour cela il faudrait trois antennes physiques. Dans le cas de la figure ci-dessous, comme il n’y a que deux antennes physiques, il y a la possibilité d’avoir trois communications simultanées utilisant chacune les deux antennes.

Figure 1. Une communication en IEEE 802.11 vht

De façon générale, la technique PU2RC (Per-User Unitary Rate Control) permet avec N antennes physiques d’obtenir M antennes virtuelles avec M = NxL où L est le nombre d’antennes virtuelles associées à une antenne physique en supposant que toutes les antennes physiques ont le même nombre d’antennes virtuelles.

Les M antennes sont affectés à des communications MIMO où le nombre de flots simultanés est limité par le nombre d’antennes physiques. Si par exemple, M=40 avec N=10 et L=4, on peut donc avoir trois communications MIMO sur cinq antennes, ce qui occupe quinze antennes, quatre autres communications sur trois antennes, ce qui occupe douze antennes et une connexion avec un seul flot sur les antennes restantes. On voit que la technique PU2RC peut donner lieu à des variantes compliquées du nombre de communication.

Globalement les vitesses qui pourront être atteintes par l’IEEE 802.11vth sont de 1 Gbit/s avec une diversité particulièrement importante (la diversité permet soit de transmettre des flux différents pour augmenter le débit, soit des flux identiques pour en augmenter la qualité).

La deuxième solution pour augmenter les débits est tout à fait différente. Pour obtenir un gain de débit, il suffit d’augmenter la largeur de la bande passante utilisée. Comme le spectre est complètement utilisé sauf vers les très très hautes fréquences, plusieurs dizaine de GHertz, l’idée est de passer à la radio cognitive.

Le Wi-Fi cognitif

L’objectif de la radio cognitive est de réutiliser les fréquences lorsqu’elles sont mal utilisées ou pas utilisées. En effet, lorsque l’on regarde l’utilisation du spectre en un endroit donné, il est en général particulièrement mal exploité, comme on le voit sur la figure 2 dans les fréquences en dessous de 1,3 GHz.

Figure 2. Exemple d’utilisation du spectre entre 0 et 1,3 GHz

On voit dans cette figure que le taux d’utilisation de 100 pour cent n’est atteint que très peu souvent et il se trouve en général en dessous de 10 pour cent. La bande la plus utilisée est celle du GSM ou l’équivalent américain. La puissance moyenne est également très faible comme on le voit dans la deuxième figure. On en déduit qu’il est possible de réutiliser le spectre en faisant attention de ne pas troubler les signaux légaux, d’où le nom de cognitif qui a été donné à cette technique puisqu’il faut être suffisamment intelligent pour s’arrêter de transmettre lorsque le signal légal se présente. Le signal correspondant au réseau licencié est appelé signal primaire. Le signal provenant de la radio cognitive est parfois appelé signal secondaire.

On distingue globalement à ce sujet là deux solutions pour détecter le démarrage d’un signal :

- La radio cognitive complète (Full Cognitive Radio) où tous les paramètres observables sont pris en compte pour détecter l’arrivée d’un signal et arrêter la transmission supplémentaire.

- La radio cognitive avec écoute du spectre (Spectrum Sensing Cognitive Radio) dans laquelle le spectre de la fréquence radio est écouté et est considéré pour émettre ou arrêter d’émettre.

La radio cognitive peut s’effectuer sur une partie du spectre qui est sous licence et donc en agrément avec le possesseur de la partie du spectre concerné. La deuxième possibilité est bien sûr de se mettre sur une partie du spectre non licenciée.

Pour arriver à détecter la proéminence d’un signal, il est particulièrement recommandé que plusieurs nœuds s’échangent de l’information pour confirmer l’arrivée d’un signal. La solution qui semble la plus simple est de regarder la puissance d’utilisation d’une fréquence et d’en déduire avec son augmentation que la bande va être récupérée par son propriétaire. Mais cette valeur n’est pas forcément suffisante pour garantir la détection de l’arrivée du signal.

Pour réaliser de la radio cognitive, la meilleure solution est de découper la bande en OFDM pour travailler sur des sous-bandes particulières.

En fait, il y a plusieurs solutions de radio cognitive, c’est d’une part de détecter les signaux blancs ou trous dans le spectre et d’utiliser en priorité les trous dans lesquels il n’y a jamais de signaux, c’est-à-dire qu’il n’y a pas d’opérateur licencié et d’autre part, d’utiliser les bandes de fréquences lorsqu’elles ne sont pas utilisées. Le concept de trou dans le spectre est illustré à la figure 3. Dans cette figure, les émissions s’effectuent sur certaines fréquences, pendant un certain temps avec une puissance déterminée.

Figure 3. Le concept de trou dans le spectre

Nous allons voir plus loin les solutions pour transmettre en même temps que le possesseur de la licence, lorsque la bande de fréquence est peu utilisée. À la figure 4, nous montrons une architecture possible d’utilisation de la radio cognitive, dans laquelle l’antenne de droite n’interfère avec l’antenne légale de gauche que sur une surface géographique limitée.

Figure 4. Les architectures de la radio cognitive

Dans cette figure quatre machines terminales sont connectées sur la station de base licenciée, située sur la gauche de la figure. Trois terminaux sont eux connectés sur la station de base en radio cognitive, cette station étant située sur la droite de la figure. Au lieu d’avoir des stations de base il est possible que la bande licenciée serve à un réseau ad hoc. De même, le réseau de radio cognitive peut être de type ad hoc. Le réseau licencié ne doit en aucun cas être perturbé par le réseau de radio cognitive. Ce réseau est totalement indépendant du réseau de radio cognitive. Il pourrait cependant, si les deux réseaux appartiennent à un même opérateur, donner des informations sur les instants d’émission ce qui permettrait à la partie cognitive d’émettre avec beaucoup plus de précision.

Le réseau de radio cognitive n’a en général pas de licence pour opérer puisqu’il se trouve dans un environnement où les fréquences sont déjà licenciées. Cependant, il est envisageable, pour un état par exemple, de revendre du spectre en radio cognitive avec une tarification bien plus basse qu’une partie de spectre licenciée puisque la transmission est bien plus complexe et ne peut pas dans certain cas garantir une qualité de service. En général, le spectre est donc alloué de façon opportune. Il faut donc que les machines de ce réseau, antenne et terminaux possèdent des algorithmes permettant d’une part de déterminer si le client licencié utilise sont spectre et d’autre part de partager le spectre libre avec d’autres utilisateurs de radio cognitive qui tenteraient d’émettre sur la même partie du spectre. On voit tout de suite que si la partie radio cognitive est une sous-licence, le partage est alors évité entre plusieurs utilisateurs en radio cognitive.

Le Wi-Fi cognitif serait d’utiliser une large bande dans le spectre de plusieurs centaines de MHz, voire de Ghz, en cognitif en respectant la normalisation en cours à l’IEEE dans le groupe de travail P1900. Cette solution permettrait de généraliser le Wi-Fi à très haut débit pour atteindre également le gigabit par seconde mais à un coût extrêmement bas.