Lien sans-fil : antenne distribuée-terminal

Plusieurs technologies sans-fil sont aujourd’hui étudiées pour intégrer les réseaux do- mestiques de demain.

Technologies radiofréquences

Aujourd’hui quatre technologies radiofréquences différentes sont très utilisées ou très étudiées pour les réseaux domestiques. Il s’agit du Wi-Fi 802.11g et 802.11n, et les techno- logies ULB ou UWB (Ultra Wide Band) dans les gammes de fréquences de 3,1 à 10,6 GHz pour le WiMedia et de 57 à 64 GHz pour le 60GHz. Les normes Zigbee et Bluetooth ne sont pas considérées dans cette étude bien qu’elles soient très développées dans les ré- seaux de capteurs et ont des consommations énergétiques faibles. En revanche, les débits atteints (<Mbps) ne permettent pas de répondre aux besoins des nouveaux terminaux. Les caractéristiques principales des normes étudiées sont rappelées dans la Table 1.1 :

La différence entre les normes Wi-Fi IEEE 802.11g et IEEE 802.11n est l’utilisation de la technologie MIMO. Cette technologie utilise plusieurs antennes émettrices et réceptrices, qui s’échangent simultanément des données augmentant ainsi le débit théorique qui passe de 54 Mbps pour le 802.11g à 512 Mbps pour le 802.11n.

Une autre solution pour augmenter le débit utilise l’UWB en transmettant des impul- sions (WiMedia) ou en utilisant la modulation MB-OFDM. La norme WiMedia, connue également sous le nom de wireless USB, visait à remplacer les connexions USB par des connexions sans fil avec des débits maximum de 512 Mbps. Actuellement, cette norme s’est peu développée et un nombre limité de dispositifs ont été commercialisés avec cette norme. En revanche, elle permet de montrer qu’il existe des solutions alternatives aux MIMO pour

Standard 802.11g 802.15.3a 802.15.3c 802.11n ECMA 368/369 802.11ad ECMA 387 Portée 100 m 10 m 10 m Fréquence 2,4 GHz 3-10 GHz 57-66 GHz Largeur de bande 20 MHz 528 MHz 2160 MHz Coût Débit <512Mbps <512 Mbps <6300 Mbps Puissance consommée

Table1.1 – Comparaison des technologies RF pour le point d’accès(d’après [48]). multiplier par 10 le débit effectif de la norme 802.11g (de 20 Mbps à 200 Mbps). D’autre part, cette solution est non-directive et à une portée de 10 m ce qui lui donne des atouts dans les architectures à antennes distribuées. La principale difficulté est de trouver des composants capables de générer les impulsions de cette norme, ce qui a pour conséquence d’augmenter le coût et la complexité de ces composants.

La dernière solution RF envisagée est d’utiliser des fréquences dans la bande 57 − 66 GHz, permettant ainsi d’obtenir des débits supérieurs au Gbit/s. Les normes associées ne sont pas encore intégrées dans des dispositifs grand public mais cette commercialisation est imminente. Cette technologie directive souffre d’une atténuation très importante no- tamment due à la bande d’absorption de l’oxygène présent dans l’air. Par conséquent les signaux 60 GHz sont sensibles au moindre obstacle et demandent des puissances d’émission importantes pour assurer la transmission entre l’antenne distribuée et le terminal. D’autre part, pour autoriser une mobilité au terminal il faut réaliser un système qui modifie l’orien- tation de l’antenne, augmentant ainsi la complexité, le coût, et la puissance consommée par l’architecture.

Technologies optiques

Une autre solution pour transférer un très haut débit consiste à utiliser des signaux optiques en espace libre. Deux technologies sont alors envisageables : les communications infrarouges IRC (InfraRed Communication) et les communications en lumière visible VLC (Visible Light Communications).

La première solution consiste à émettre des signaux infrarouges entre un émetteur et un récepteur IRC. Les longueurs d’ondes utilisées sont de 850 nm ou 1550 nm. Une première application a été développée par JVC qui permet de transférer une vidéo haute définition à un débit voisin de 1, 5 Gbit/s sur une distance de 5 m. La solution envisagée étant directive, il est nécessaire de munir l’antenne distribuée d’un déflecteur et le terminal d’un concentrateur et d’une photodiode (Figure 1.8). Cette technologie s’adapte parfaitement bien avec une liaison optique station centrale-antenne distribuée, puisqu’il n’y a pas besoin dans ce cas d’interface pour modifier le signal. Cette absence d’interface peut représenter

une économie d’énergie non négligeable par rapport aux autres technologies étudiées. Même si cette technologie optique est avantageuse par rapport aux technologies RF vis-à-vis des rayonnements électromagnétiques, la contrainte principale se situe au niveau de la puissance optique émise en espace libre pour préserver la sécurité oculaire ainsi que sur la directivité du faisceau.

Figure 1.8 – Structure d’une communication infrarouge.

La deuxième méthode appelée communication en lumière visible (VLC) consiste à mo- duler une source lumineuse à base de LED (Light Emitting Diode) qui éclaire le terminal (Figure 1.9). La bande passante de ces diodes électro-luminescentes étant limitée à une vingtaine de MHz, le débit maximum obtenu en utilisant une modulation OFDM est d’une centaine de Mbps [49]. Certaines études ont montré qu’il était possible d’atteindre des débits voisins de 1 Gbps en modulant avec des signaux différents plusieurs LED et en re- constituant ensuite les différents signaux transmis [50]. Cette méthode s’apparente alors à la méthode MIMO en radiofréquence. Les principaux avantages de cette technologie sont une immunité sanitaire et une consommation de puissance réduite puisque les puissances utilisées sont les mêmes que celles de l’éclairage.

Figure 1.9 – Exemple d’une communication en lumière visible.

Comparaison des différentes technologies sans-fil

La Figure 1.10 compare qualitativement les technologies présentées ci-dessus qui per- mettent de faire la liaison entre une antenne distribuée et un terminal (ordinateur, TV HD...).

Figure 1.10 – Comparaison qualitative des technologies permettant de relier l’antenne distribuée au terminal.

Les débits les plus importants sont pour l’instant atteints avec une technologie à 60 GHz ou une technologie optique infrarouge. Cependant, l’émetteur et le récepteur doivent être positionnés en visibilité directe contrairement au Wi-Fi ou à la norme WiMedia. Ce com- promis entre performance et mobilité peut être réduit en équipant l’antenne distribuée d’un mécanisme de suivi de l’utilisateur. En revanche, ce mécanisme supplémentaire augmente le coût de l’installation et a une influence sur la puissance consommée globale. D’un point de vue énergétique, la liaison 60 GHz nécessite des puissances émises importantes en raison de la forte absorption de l’oxygène à ces fréquences. Les technologies optiques ont besoin de moins d’énergie pour fonctionner puisque les composants utilisés (LED, VCSEL) ont des efficacités de conversion importantes et rayonnent moins de puissance en raison de leur directivité importante.

Du point de vue de l’exposition aux ondes électromagnétiques, contrairement aux normes Wi-Fi et WiMedia qui utilisent des antennes omnidirectionnelles, les normes utili- sant le 60 GHz déploient des antennes directives. Le problème d’exposition est résolu par les technologies optiques, même si le paramètre critique dans la technologie infrarouge est la sécurité oculaire qui limite les puissances émises en espace libre à 10 mW.