Les technologies sans fil

Les technologies qui sont actuellement disponibles à faible coût sont celles qui ne nécessitent aucune licence particulière pour l’exploitation des fréquences qu’elles utilisent. Ces technologies incluent des réseaux de type WPAN (Wireless personal area network) tels que l’IEEE 802.15.1/Bluetooth [BLU 05w] et IEEE 802.15.4/ZigBee [IEEE 802.15.4], mais aussi les technologies sans fil pour les réseaux locaux de type WLAN (Wireless local area network) comme HiperLAN (High Performance Local Area Network) [HiperLAN 96] ou pour ceux issus de la norme IEEE 802.11 [IEEE 802.11].

2.3.1 IEEE 802.15.1/Bluetooth

Bluetooth, reconnu aussi par le groupe de travail 802.15.1 est une spécification de l'industrie des télécommunications et a été conçu initialement pour remplacer le câblage et permettre une connectivité facile et rapide des équipements en mode ad hoc (sans infrastructure) [IEEE 802.15.1, HAA 98, BRA 00, BIS 01, BLU 03].

La communication dans Bluetooth est de type maître/esclaves, et le réseau Bluetooth s’organise sous forme de piconet (voir sur la figure 1.4). Un piconet est un mini réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand des périphériques sont dans un même rayon. Le maître a plusieurs fonctions, il gère l'établissement de la connexion et régule le trafic entre ses esclaves. Un maître peut être connecté simultanément à un maximum de sept nœuds esclaves actifs.

Les esclaves ont la possibilité d’être membre de quatre piconets différents, ainsi différents piconets peuvent être reliés entre eux comme le montre la figure 1.5. Le réseau ainsi formé est appelé réseau chaîné ou scatternet. Jusqu'à présent, le rôle des scatternets est toujours relativement limité. Une partie des problèmes constatés dans les scatternets sont discutés dans [MIK 00].

Le protocole d’accès utilisé est le TDD (Time Division Duplex) [GUM 00]. Dans ce mode, le temps est découpé en tranches, ou slots de temps (time slots). Dans le canal de communication créé par cette suite de slots, les slots pairs sont réservés aux transmissions du maître, et les slots impairs aux réponses des esclaves. Un esclave ne peut transmettre sur le canal que lorsque le maître lui a envoyé un paquet dans le slot précédent.

Figure 1.4. Exemple de piconet.

Figure 1.5. Plusieurs piconets formant un scatternet. Esclave

Esclave Esclave

Maitre

À cause du fait qu’il n’y a aucune coordination entre piconets, des collisions peuvent se produire entre deux piconets s’ils sont à portée l’un de l’autre. Afin de réduire les collisions et d’éviter les interférences, le standard utilise la technique d’étalement de spectre par sauts de fréquence FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). La bande de fréquences utilisée est ainsi découpée en 79 canaux appelés sauts ou porteuses d'une largeur de 1 MHz. Un piconet est alors associé à une séquence de sauts imposée par le maître et connue de ses esclaves. Cette séquence résulte d’un algorithme spécifique utilisant l’adresse du maître et une fréquence de 1600 sauts par seconde (ce qui correspond à 625 µs par saut).

Dans la version 1.2 Bluetooth, un mécanisme pour limiter les interférences entre Bluetooth et d’autres dispositifs travaillant dans la même bande de fréquences ont été ajoutés. AFH (Adaptive Frequency Hopping) permet de détecter les porteuses subissant des interférences et de sélectionner uniquement les porteuses non perturbées pour la transmission [MEI 01, TRE 03].

Au niveau de la couche liaison de données, une distinction est faite, entre le mode synchrone SCO (Synchronous Connection Oriented) et le mode asynchrone ACL (Asynchronous ConnectionLess). L’ACL est une liaison point à multipoint. Pour garantir la fiabilité des transmissions de données, une demande automatique de retransmission par l’envoi de ARQ (Automatic Repeat Request) est transmise si l'évaluation du CRC (Cyclic Redundancy Code) montre des erreurs. En revanche, les liens SCO sont de type point à point. Pour ce type de liaisons, une réservation de slots de temps à des intervalles réguliers est faite, ce qui permet de supporter le trafic temps réel. Les retransmissions ne sont pas autorisées avec ce type de liens, mais dans les versions de 1.2 et 2.0 de Bluetooth [BLU 94] est prévue une extension permettant un nombre limité de retransmissions.

À l’origine, la couche physique utilise la modulation GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) avec un débit brut binaire de 1 Mbps et une transmission à 0 dBm (soit 1 mWatt). Avec une telle puissance, un équipement Bluetooth peut atteindre des stations à une distance d’une dizaine de mètres au plus. En raison de cette faible portée et du petit nombre d'esclaves qui sont activés à un moment donné, plusieurs piconets peuvent coexister sur un même lieu. Des résultats issus de la simulation ont été présentés sur cette coexistence dans [WEI 03, GOL 03, MAT 92]. Certains de ces résultats de simulations ont également été vérifiés dans [MAT 04], ce qui permet de valider par la pratique cette démarche de simulation. Ainsi, ces résultats représentent une base à partir de laquelle il est possible de juger la faisabilité d’utiliser Bluetooth pour des applications spécifiques dans un environnement industriel. Notons finalement que d’autres travaux ont étudié la cohabitation de Bluetooth avec une technologie de type 802.11 [MOB 01, ENN 98, ZYR 98, GOL 01, FUM 01, HOW 01, MAT 02].

2.3.2 IEEE 802.15.4/ZIGBEE

Le standard IEEE 802.15.4 [IEEE 802.15.4] a été finalisé en 2006. Il spécifie la couche physique et MAC pour les réseaux sans fil de type faible portée faible consommation. Le but de cette norme est de créer une solution à très bas coût, mais aussi de très basse consommation d'énergie, idéale pour la connexion de matériels de type capteur, télécommande ou équipement de contrôle dans le secteur industriel [CAL 02]. L’IEEE 802.15.4 a été spécifiquement développé pour être utilisé dans les applications pour lesquelles il existe un besoin de mise en réseau de faible envergure et d'éléments rarement utilisés et qui transmettent seulement de petits paquets de données. De telles applications sont exactement ce que beaucoup d'environnements industriels exigent [VAL 08].

La norme d'IEEE 802.15.4 différencie deux genres de dispositifs, les FFD (Full fonction device) qui possèdent toutes les fonctions MAC et physique décrites par la norme et qui

peuvent communiquer avec d’autres FFD en mode point à point et grâce à des fonctionnalités de routage. Les RFD (Reduced function device), sont quant à eux des dispositifs qui ne possèdent qu’une partie des fonctions définies dans le standard. Les RFD sont toujours associés à un FFD et se limitent à échanger des données avec lui, aucune communication n’est possible entre RFD. Toutes les communications passent par un point central appelé Coordinateur du PAN, qui est obligatoirement un FFD.

Figure 1.6. Les topologies dans 802.15.4 [CHA 08].

La norme 802.15.4 supporte trois architectures différentes (voir la figure 1.6). La première topologie est simplement une topologie en étoile (star), c'est-à-dire avec un maître au centre tel qu’un piconet, le coordinateur FFD et les différents périphériques autour. Le rôle du nœud coordinateur est d'initialiser et de gérer les autres dispositifs du réseau qui communiquent directement avec lui. La topologie mesh ou maillé est une topologie où les nœuds du réseau sont reliés à tous les autres nœuds (réseau totalement maillé) ou à une partie de ses voisins

PAN coordinator