WiFi Industriel

Introduction

Les premières transmissions radio datent de la fin du XIXe siècle (G. Marconi et A. Popov) mais ces 2 précurseurs ne se doutaient probablement pas à quel point la communication sans fil se généraliserait permettant à chacun non seulement de communiquer avec un correspondant mais aussi d’accéder à des ressources quasi-illimité d’informations et contenu multimédia ou qu’il se trouve.

Une accélération brutale de ce mode de communication intervient à la fin du XXe siècle au cours duquel on voit apparaitre des standards tels que Bluetooth, Wifi, GPRS/Edge. Au cours des années suivantes on ne cessera de perfectionner l’ensemble des technologies Wireless en poussant toujours plus loin les performances.

Aujourd’hui les technologies de transmission sans fil disponibles vont de Bluetooth aux satellites de communication en passant par la 4G. Dans le domaine des réseaux locaux c’est la technologie WIFi qui s’impose. Les différentes variantes de WiFi sont regroupées dans le standard 802.11.

Grâce au WiFi on peut compléter son réseau local câblé (LAN) par une partie sans fil le WLAN (Wireless Local Area Network), voire se passer entièrement de support filaire.

La transmission par ondes électromagnétiques fait largement appel à la notion de décibel (dB), que ce soit pour exprimer la puissance en émission la sensibilité en réception, le gain d’antenne, l’atténuation …

Pour mieux appréhender les principes qui régissent le déploiement d’un réseau Wi-Fi il est donc nécessaire de bien comprendre ce que représente un dB. Si cette notion vous est familière vous pouvez passer ce chapitre.

Le dB est l’unité exprimant un rapport de puissance sous forme logarithmique. En effet, la gamme de puissance est tellement vaste qu’il serait fastidieux de les exprimer sous forme de rapport ou pourcentage.

Une valeur en dB négative exprime une atténuation, une valeur positive exprime un gain.

Ci-contre, dans le tableau, reprenant quelques valeurs singulières, on constate qu’une valeur de 3dB correspond à un doublement de la valeur, soit un gain de 200%. – 3dB constitue un affaiblissement de moitié, soit une atténuation de 50%.

Une particularité de cette unité logarithmique c’est qu’elle s’additionne ou se soustrait ce qui se révèlera très pratique pour évaluer l’affaiblissement de propagation.

Le dB est une unité relative car elle exprime un rapport de 2 valeurs, tout comme le %. Lorsqu’on souhaite exprimer une grandeur absolue telle que la puissance émise ou reçues on utilisera le dBm (m pour milliwatt). Pour y arriver il suffit de figer la grandeur de référence P2 à une valeur arbitraire fixe de 1 milliwatt.

Une puissance de 20 dBm vaut donc 100 mW ce qui correspond à la puissance d’émission autorisée en WiFi standard. Une puissance de -20 dBm correspond à 1 µW.

Le spectre des ondes électromagnétiques utilisées pour la transmission d’information est assez vaste, il couvre une plage de 30 kHz à 300 GHz. Les fréquences utilisées pour le WiFi font partie de la famille des hyperfréquences (300 MHz – 300 GHz).

Les ondes radio se propagent dans le vide (ou l’air) à la vitesse de la lumière (300.000 km/s). Plusieurs facteurs influent sur la propagation d’un signal radio :

La distance

En émission libre une onde radio est naturellement atténuée en fonction de la distance qui la sépare de son émetteur. Cet affaiblissement est proportionnel au carré de la distance. Chaque fois que la distance double, le signal est divisé par 4 ce qui correspond à une atténuation de 6 dB.

Exemple : pour une distance de 50 m l’atténuation est de 74 dB, elle passe à 80 dB pour 100 m.

La fréquence

Plus la fréquence est élevée et plus l’affaiblissement sera important. Là aussi, l’amortissement sera proportionnel au carré de la fréquence. Pour une même puissance d’émission, une fréquence 2 fois plus élevée implique donc un signal 4 fois plus faible. C’est ce qui explique la différence de 6 dB que l’on observe entre les fréquences 2,4 GHz et 5 GHz.

Cependant plus la fréquence est haute et plus le débit atteignable est élevé.

Les obstacles

Lorsqu’une onde radio rencontre un obstacle, une partie est absorbée, une partie réfléchie, une partie le traverse une autre partie peut le contourner.

C’est la nature du matériau sa densité son diélectrique, la forme de l’obstacle et la fréquence de l’onde qui définiront le comportement général du signal. D’une façon générale les matériaux les plus denses auront un effet plus important.

Le tableau ci-dessous comporte les valeurs d’atténuation de quelques matériaux courant.

Ces atténuations sont à ajouter à l’atténuation naturelle liée à l’éloignement.

Attention : ces valeurs sont purement indicatives, les facteurs influant sur l’atténuation et la réflexion des ondes sont nombreux et complexes. L’approche théorique doit être validée par une étude de site qui permet une réelle cartographie de la couverture.

Les antennes jouent un rôle primordial dans la transmission radio. Ce sont des dispositifs associés à l’étage HF de l’équipement permettant l’émission et la réception des ondes radio.On les caractérise par leur "Gain" et leur directivité.

Une antenne est un élément purement passif il n’y a pas d’amplificateur intégré, on peut donc se demander d’où viennent les gains de 8, 12 ou 24 dBi qu’affiche la documentation des constructeurs.

L’unité dBi (i pour isotrope) permet d’exprimer le gain d’une antenne donnée en prenant comme référence une antenne isotropique idéale.

L’antenne isotropique idéale ne peut pas être construite c’est donc une abstraction.

Une telle antenne émettrait dans toutes les directions avec la même puissance, son lobe d’émission est donc une sphère parfaite.

Une antenne réelle n’a pas une diffusion homogène et va privilégier le rayonnement dans certaines directions. Le gain d’une antenne ne correspond donc pas réellement un gain de puissance mais simplement une focalisation/concentration des ondes radio. Plus de puissance en un point et aucune ou moins en un autre.

 On peut faire une analogie en comparant l’antenne à une source lumineuse.

Une ampoule nue de 100W éclaire de la même manière dans toutes les directions, la diffusion des rayons lumineux s’inscrit dans une sphère.

La même ampoule de 100W munie d’un réflecteur permettra d’éclairer plus fort et plus loin dans une direction mais au détriment de l’espace situé derrière le réflecteur qui ne recevra aucun rayon lumineux. La diffusion des rayons lumineux s’inscrit dans un cône.

Le réflecteur n’a pas augmenté la puissance de l’ampoule il a simplement modifié la densité lumineuse dans l’espace.

Lorsqu’on exprime le gain d’une antenne on compare la puissance réelle relevée dans la direction optimale à un point à la même distance d’une source isotropique.

Dans l’exemple ci-dessus, si la mesure Référence est 100 Lux et que la mesure Réel est 400 Lux on a multiplié par 4 le flux lumineux en le concentrant, soit un Gain de 6 dBi.

Il existe plusieurs types d’antennes Wi-Fi en fonction de la situation et de l’usage que l’on souhaite.

Le bilan de liaison consiste à évaluer de manière théorique la marge de fonctionnement de l’ensemble du système radio. Plus cette marge est élevée, plus la liaison est fiable. Pour une liaison stable on estime que le bilan doit être supérieur à 10 dB.

Dans l’exemple ci-dessus le bilan de liaison est correct mais il sera réduit si des obstacles sont présents. La qualité de la liaison dépendra également du rapport S/B (Signal/Bruit) qui est lié à la présence d’autres transmissions ou perturbateurs utilisant la même bande de fréquence.

Depuis 1986 année du premier standard WiFi, la normalisation a constamment évoluée pour intégrer les avancées techniques, en conséquence les performances n’on cessées de s’améliorer. Le tableau ci-dessous liste les principales caractéristiques des différents standards 802.11.

*MIMO: Multiple-Input Multiple-Output est une technique de multiplexage utilisant plusieurs antennes ce qui permet d’améliorer le rapport S/B et/ou le débit. Chaque antenne est responsable d’un flux. Par ex. le standard 802.11ac permet de gérer jusqu’à 8 flux de 866 Mb/s ce qui fait un débit théorique de ~7 Gb/s.

Les débits indiqués dans ce tableau sont les débits théoriques max. En réalité ces débits ne sont jamais atteints. En effet, les délais inhérents au wifi et des en-têtes plus importantes font que le débit réel maximum est environ de moitié.

Pour le standard le plus récent, 802.11ac, il faut mettre en œuvre l’ensemble des fonctionnalités y compris toutes celles qui sont optionnelles si l’on veut atteindre le débit max.

Notion de canal

Lorsqu’on évoque les fréquences 2,4 et 5 GHz il s’agit en fait de 2 bandes de fréquence divisée en plusieurs canaux de 20 MHz. Suivant le standard choisi, ces canaux peuvent être groupés pour augmenter la bande passante. Ce faisant, ils occuperont un espace fréquentiel plus large ce qui se peut se traduire par un problème d’interférences.

Dans le déploiement d’une architecture sans fil le choix des différents canaux est primordial pour minimiser les risques d’interférence. Cela implique de tenir compte de l’existant.

La bande 2,4 GHz comporte 13 canaux dont 3 ne se superposent pas et donc ne s’interfèrent pas.

La bande 5 GHz comporte 19 canaux indépendants. En fonction du standard 802.11 utilisé il est possible de regrouper 2 à 8 canaux adjacents pour augmenter la bande passante.

Attention : une partie de la bande 5 GHz est également utilisée pour des applications militaires, les radars météo ou de navigation. Ces applications sont considérées comme prioritaires. La réglementation impose aux utilisateurs de cette gamme de fréquence de se déconnecter et changer de canal si une activité prioritaire est détectée.

Ce mécanisme est appelé DFS (Dynamic Frequency Selection) il est obligatoirement implanté sur les équipements WiFi travaillant sur les canaux concernés (fond jaune). Cette contrainte est à prendre en compte car en cas d’activation du DFS la perte temporaire de communication qui s’ensuit peut se révéler néfaste dans le cadre d’une application automatisée.

Outre le déploiement physique des équipements qui couvre le choix et l’implantation des antennes, le respect des distances et la prise en compte des obstacles d’autres facteurs interviennent sur la qualité d’une liaison Wi-Fi.

Interférences

La ressource radio est limitée, il arrive donc souvent que des équipements entrent en concurrence et interfèrent les uns avec les autres. Pour l’instant, la bande 2,4 GHz est largement plus utilisée que 5 GHz, elle est donc potentiellement plus sensible

On considère comme perturbateurs les équipements qui émettent sur la même bande de fréquence que l’équipement Wi-Fi mais sans respecter le standard 802.11. Ces perturbateurs peuvent être relativement nombreux notamment dans la bande 2,4 GHz qui est utilisée pour de multiples applications.

Perturbateurs

La ressource radio est limitée, il arrive donc souvent que des équipements entrent en concurrence et interfèrent les uns avec les autres. Pour l’instant, la bande 2,4 GHz est largement plus utilisée que 5 GHz, elle est donc potentiellement plus sensible.

Ces matériels génèrent un bruit de fond qui va dégrader le rapport S/B et affecter la qualité de communication, parfois la cohabitation avec un réseau Wi-Fi sera impossible.

La sécurité des réseaux WiFi suscite bien des controverses. Sa mauvaise réputation est en partie due aux failles importantes des premiers systèmes de sécurisation WEP ainsi qu’aux problèmes de piratage de données lors des connexions sur points d’accès public (Hotspot). Or aujourd’hui, il est tout à fait possible de réaliser une architecture wifi sécurisée.

Maitrise de l'émission

Il est inutile d’émettre fort et partout si l’on a seulement besoin de couvrir une zone limité. En effet les ondes ne sont pas stoppées par un mur ou une clôture, inutile donc de faire déborder son réseau sur la voie publique ou chez ses voisins.

Discrétion

Le nom du réseau SSID fait partie des informations transmises régulièrement par le point d’accès. Il est cependant possible de ne pas diffuser cette information. Les personnes/équipements habilités sont censé connaitre le SSID, inutile de le communiquer aux autres.

Authentification et cryptage

Cette méthode constitue la base pour sécuriser une liaison Wifi et consiste à partager une clé entre le point d’accès et le client.
Clé WEP : cette première solution s’avère être inefficace, une clé WEP se « craque » en quelques minutes. À éviter !
Clé WAP : créé comme une solution intermédiaire en remplacement du WEP et en attendant la sortie du standard 802.11i elle offre une meilleure sécurisation mais le réseau reste vulnérable à une attaque.
Clé WAP2 : il s’agit de la technologie officielle 802.11i qui offre aujourd’hui le meilleur niveau de protection.

2 types de clés sont utilisés. D’une part PKS (Pre-shared key) à l’usage des particuliers et d’autre part EAP (Extensible Authentication Protocol) qui nécessite la mise en place d’un serveur d’authentification RADIUS et concerne plutôt les entreprises.
Les autres méthodes de sécurisation que l’on trouve traditionnellement sur Ethernet filtrage des adresses MAC, VLAN, VPN peuvent venir compléter les mesures énoncées plus haut.
S’il est possible de protéger son réseau WiFi de l’intrusion, il est par contre impossible de se prémunir d’une attaque visant le déni de service. En effet il suffit de brouiller la fréquence utilisée pour que toute communication devienne impossible. C’est pourquoi le WiFi ne doit pas être considéré comme le remplacement général des liaisons filaires mais réservé à des applications précises.

lusieurs topologies Wireless sont possibles en fonction des besoins.

Mode infrastructure

Un point d’accès gère les échanges, toutes les communications passent par lui.
Le réseau est identifié par un nom : le SSID (Service Set IDentifier) par ex. orange, atelier1, machine_4 …
L’ensemble Point d’accès et clients constitue un BSS (Basic Service Set). Le BSSID est l’adresse MAC du point d’accès.

Mode Ad Hoc

Il n’y a pas d’élément d’infrastructure chaque machine communique directement avec l’autre.
Peu utilisé, sert le plus souvent pour des besoins temporaires.

Mode Pont

On utilise le WiFi pour interconnecter 2 stations ou 2 réseaux Ethernet qu’il serait difficile ou couteux de connecter en filaire.

Mode étendu

Pour couvrir une zone géographique importante on peut multiplier les points d’accès en prenant soin de choisir des canaux différents pour les points d’accès adjacents afin de réduire les risques d’interférences.

L’ensemble des BSS forme un ESS (Extended Service Set) partageant le même nom (ESSID).

Le point d’accès diffuse à intervalle de temps régulier (100 ms) une trame balise (Beacon, en anglais). Cette trame peut être considérée comme un signalement de présence pour les stations souhaitant se connecter. Elle comporte les différentes informations que le client doit connaitre pour initier une association par exemple : canal utilisé, débit, information sécurité, charge du point d’accès, nom du réseau (SSID).

Le nom réseau peut ne pas être diffusé on améliore la sécurité en « masquant » le réseau. Cette mesure ne pourra que décourager un néophyte, un spécialiste contournera aisément cette difficulté.

Le client souhaitant se connecter commence par envoyer une trame de demande de sondage (Probe Request) comportant le SSID souhaité. S’ensuit une séquence d’authentification puis l’association proprement dite, la transmission de données peut alors débuter.

Une station se trouvant à la portée de plusieurs points d'accès (avec évidemment le même SSID) choisira celui qui offre le meilleur compromis de débit et de charge.

Dans l’exemple ci-dessous, le client peut se connecter sur l’AP1 à une vitesse de 12 Mb/s ou à l’AP2 à 48 Mb/s. C’est donc ce dernier qui sera sélectionné. Si le client est mobile il peut changer de point d’accès en fonction des conditions de réception.

Dans le cadre d’une installation Ethernet filaire moderne, les flux de données sont optimisés grâce à l’utilisation de la transmission Full Duplex et l’utilisation des switch qui ont remplacés les Hub. Pour ce qui concerne le WiFi il n’est pas possible de faire de la commutation ni d’émettre et recevoir simultanément. C’est donc comme si l’on fonctionnait avec un Hub en Half duplex. Quand une station parle, toutes les autres doivent se taire faute de quoi les 2 messages risquent d’être perdus ce qui entraine des répétitions.

Dans une infrastructure Wi-Fi toutes les stations ne s’entendent pas forcément les unes les autres, le point d’accès joue donc un rôle essentiel dans la gestion des échanges.

• La station A veut émettre.
• Elle écoute le réseau.
• Si le réseau est encombré, la transmission est différée.
• Si le média est libre, la station transmet un message RTS (Request To Send) avec les informations sur le volume de données et sa vitesse de transmission.
• Le point d’accès répond par un message CTS (Clear To Send) indiquant la durée prévue de l’échange
• Toutes les stations reçoivent cette info.
• Les stations B et C se taisent pendant le temps estimé de la communication.
• La station A effectue l'émission des données.
• Le point d’accès accuse réception et envoie un ACK.
• Le media est libéré.

Avant de déployer une architecture WiFi, il est recommandé de procéder à une analyse préalable qui permettra de vérifier la situation radio fréquence (WiFI préexistant, présence d’éventuels perturbateurs…).

Ceci permettra de définir l’implantation théorique des différents points d’accès la plus favorable en fonction des critères souhaités et de la configuration des lieux (obstacles, zone d’ombre).

AGILiCOM vous apporte son expertise dans l'étude de conception d'une installation WiFi. Pour plus d'informations, n'hésitez pas à consulter notre page Architecture Réseaux OT.

Une fois les point d’accès déployés une vérification de la couverture permettra de vérifier que les différents critères ont été respectés (débit min. Rapport S/B, niveau de réception …). Le cas échéant les ultimes ajustements seront réalisés.

Le schéma ci-dessous est extrait d’une étude de site réalisée en prévision d’une installation d’AGV (Automatic Guided Vehicles) on y indique les niveaux de réception sur l’ensemble du site pour un point d’accès donné.

D’autres mesures permettent d’indiquer de la même façon les rapports signal/bruit ou les débits, et ceci pour les 6 point d’accès du site.

Les experts d'AGILiCOM auditent votre installation pour s’assurer que les conditions d’une communication sans fil fiable sont remplies. Plus d'inforamtion sur les audits réseaux, n'hésitez pas à nous contacter.

Dans le cadre d’un diagnostic cette démarche jointe à une analyse spectrale permet de relever les anomalies et origines de pertes ou dégradation de la communication.

Cette analyse permet de vérifier l’occupation des différentes fréquences que ce soit par des communications WiFi ou d’autres émetteurs se comportant en perturbateur (radars, Zigbee, vidéo …).

En cas de panne, nous établissons un diagnostic en identifiant les dysfonctionnement et en vous proposant des solutions pour rétablir le bon fonctionnement de votre réseau WiFi.

Cet article n’est pas exhaustif et de nombreux points n’ont pas été abordés. L’objectif est de de présenter les bases et les principales particularités de la communication par radiofréquence.

La transmission sans fil est devenue une évidence dans notre quotidien, elle n’en demeure pas moins une technologie extrêmement sophistiquée.

Le média est immatériel et non contrôlable, des précautions sont donc à prendre lors du déploiement, surtout dans le cas d’installations automatisées ou la continuité de service est primordiale.

Si l’étude de site est bien menée et que l’implantation et la configuration sont correctement réalisées le Wireless peut efficacement remplir son rôle et participer à la productivité de l’entreprise tout en réduisant les coûts.