Systèmes sans-fil intra-muros

Le sans-fil intra-muros fait partie intégrante du monde numérique d’aujourd’hui

Alimenté par la prolifération des appareils mobiles, les progrès en termes de capacité et de portée de bande passante, et les avantages liés au débranchement des appareils à partir des connexions filaires fixes, le sans-fil devient rapidement le support de facto pour connecter les personnes et les objets. La plupart des gens comprennent que derrière chaque connexion sans-fil se trouve une infrastructure qui fournit la connexion en liaison en amont au réseau local (LAN), aux réseaux des fournisseurs de services et au cloud. Cependant, les professionnels du câblage doivent savoir précisément comment fonctionnent les communications sans-fil et que plusieurs types de technologies sans-fil intra-muros fonctionnent à différentes fréquences, différents débits de données et différentes distances pour diverses applications.

 

Contenu

• Qu’est-ce que le sans-fil intra-muros et pourquoi est-il important ?
• Comment fonctionne le sans-fil intra-muros ?

  ◦ Fréquences des communications sans-fil

• Types de systèmes sans-fil intra-muros

  ◦ Wi-Fi

  ◦ Cellulaire

  ◦ Sans-fil basse vitesse

• Continuer à apprendre

 

Qu’est-ce que le sans-fil intégré et pourquoi est-il important ?

On estime 70 que 80 % de l’ensemble du trafic de données mobiles est généré en intérieur. Les réseaux sans-fil intra-muros sont essentiels pour que nous et nos appareils puissions rester connectés à l’intérieur des immeubles de bureaux, des stades, des hôtels, des hôpitaux, des aéroports, des établissements de vente au détail, etc.

Notre dépendance quotidienne aux appareils mobiles nécessite une connectivité sans-fil dans pratiquement toutes les installations. Parallèlement, de plus en plus d’appareils IoT et de bâtiments intelligents se connectent via des technologies sans-fil pour faciliter la mise en œuvre, l’évolutivité et les économies de coûts. Plusieurs autres applications intra-muros utilisent des technologies sans-fil pour tout, du contrôle d’accès et du suivi des actifs au paiement mobile, à la gestion des stocks et aux appareils mains libres quotidiens. Une couverture sans-fil fiable intra-muros, via une gamme de technologies complémentaires, est essentielle dans le monde connecté d’aujourd’hui.

 

Comment fonctionne le sans-fil intra-muros ?

Tous les systèmes sans-fil intra-muros fonctionnent dans le spectre électromagnétique, qui fait référence à la gamme complète de rayonnements qui se compose d’ondes d’énergie électrique et magnétique qui se déplacent dans l’espace. Ces ondes sont caractérisées par la longueur d’onde et la fréquence.

• • La longueur d’onde correspond à la distance couverte par un cycle complet de la courbe, et la fréquence correspond au nombre de courbes dans un certain laps de temps.


• • La fréquence est exprimée en hertz, ce qui équivaut à un cycle par seconde (un mégahertz équivaut à un million de cycles par seconde et un gigahertz équivaut à un milliard de cycles par seconde). Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.

L’ensemble du spectre électromagnétique s’étend des ondes radio de fréquence extrêmement basse avec les longueurs d’onde les plus longues aux rayons infrarouges, ultraviolets, X et gamma de fréquence extrêmement élevée avec les longueurs d’onde les plus courtes. Notez dans le graphique ci-dessous que la lumière visible, qui ne concerne qu’une infime fraction du spectre, est composée des sept couleurs que les humains peuvent voir.

^{Le spectre électromagnétique s’étend des ondes radio à grande longueur d’onde aux rayons gamma à longueur d’onde la plus courte.}

 

Fréquences des communications sans-fil
Les communications sans-fil entrent dans la partie fréquence radio (RF) du spectre, d’environ 3 Hz à 3000 GHz. Le spectre RF est une ressource fixe et limitée qui est réglementée par la Commission fédérale des communications (FCC) et l’Union internationale des télécommunications (ITU) pour prévenir les interférences. Il est essentiellement découpé en différentes « bandes » pour une gamme de types de transmission et d’applications, telles que la navigation GPS, les communications militaires et d’urgence, les émissions de télévision, la radio AM et FM, les satellites météorologiques, le cellulaire, le Wi-Fi, le Bluetooth et bien d’autres. Certaines bandes sont attribuées à un service spécifique, tandis que d’autres sont vendues ou concédées sous licence à des opérateurs. Notez que tous les signaux RF utilisent un type d’antenne qui transforme les signaux électriques en signaux RF et vice versa.

Les différentes bandes RF sont désignées comme étant très basses, basses, moyennes, élevées, très élevées, ultra-élevées, extrêmement élevées et extrêmement hautes fréquences. À mesure que la fréquence augmente, la capacité de bande passante augmente et la portée diminue. La perte de chemin de signal est plus faible à des fréquences plus basses, ce qui offre une meilleure propagation (la capacité à pénétrer les matériaux) et une meilleure portée. C’est pourquoi les sous-marins utilisent des bandes basse fréquence qui peuvent traverser l’eau de mer sur de longues distances. Le tableau suivant résume les différentes bandes RF et leurs applications courantes.

 

Nom	Gamme de fréquences	Application
Basse fréquence (LF)	30 kHz à 300 KHz	Navigation, sous-marins, systèmes météorologiques, signal temporel standard, radio AM européenne
Fréquence moyenne (MF)	300 kHz à 3 kHz	Navigation maritime/aéronautique, radio AM
Haute fréquence (HF)	3 MHz à 30 MHz	Militaire, aviation air-sol, détresse maritime, radio AM, radio amateur, diffusion à ondes courtes
Très haute fréquence (VHF)	30 MHz à 300 MHz	Urgence bidirectionnelle, diffusion FM/TV, radio amateur
Ultra haute fréquence (UHF)	300 MHz à 30 GHz	GPS, cellulaire, Wi-Fi, téléphones satellites, radios bidirectionnelles émetteurs-récepteurs (walkies-talkies), radar, diffusion TV, Bluetooth, Zigbee, longue portée
Extrêmement haute fréquence (EHF)	30 GH à 300 GHz	5G haute bande, satellite, radar, recherche scientifique, astronomie
Fréquence exceptionnellement élevée (THF)	300 GH à infrarouge	R&D, astronomie, expérimental

^{Ce tableau indique les fréquences qui transportent les types courants de communications sans-fil.}

 

Types de systèmes sans-fil intra-muros

Bien que vous puissiez considérer la connectivité sans-fil dans les bâtiments comme strictement Wi-Fi, plusieurs technologies sans-fil sont essentielles pour un large éventail d’applications et d’appareils. Tous fonctionnent sur différentes fréquences et de manière unique.

Wi-Fi
Les applications Wi-Fi qui nous intéressent dans le secteur des technologies de l’information et des communications (TIC) se situent dans la plage UHF de 300 MHz à 30 GHz. Le Wi-Fi IEEE 802.11 est l’application principale déployée dans l’espace d’entreprise ; le Wi-Fi 5, 6, 6E et 7 fonctionnent dans les bandes de fréquence 2,4, 5 et 6 GHz, comme indiqué dans le tableau ci-dessous. Pour en savoir plus sur les exigences de câblage pour les applications Wi-Fi, consultez notre page sur le câblage Wi-Fi.

 

	Wi-Fi 5	Wi-Fi 6	Wi-Fi 6E	Wi-Fi 7
Standard	IEEE 802.11ac	IEEE 802.11ax	IEEE 802.11ax	IEEE 802.be
Fréquence de transmission	5 GHz uniquement	2,4 GH et 5 GHz	2,4 GHz, 5 GHz, et 6 GHz	2,4 GHz, 5 GHz, et 6 GHz
Nombre max. de flux	8	8	8	16
Débit de données max. par flux	866 Mbits/s	1,2 Gbits/s	1,2 Gbits/s	2,9 Gbits/s
Débit de données théorique max	6,93 Gbits/s	9,61 Gbits/s	9,61 Gbits/s	46,1 Gbits/s
Vitesse typique	1,3 Gbits/s	5 Gbits/s	5 Gbits/s	18 Gbits/s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Ce tableau compare les normes, les fréquences et les capacités des catégories Wi-Fi.}

Étant donné que le spectre RF est une ressource fixe, face à la demande croissante de plus en plus d’utilisateurs et d’appareils ayant besoin d’une plus grande bande passante, de nouvelles façons innovantes d’optimiser le spectre sont essentielles.

Il existe plusieurs canaux dans chaque bande de fréquence et la FCC définit les canaux disponibles dans l’infrastructure d’information nationale sans licence (U-NII). Certains canaux de la gamme de fréquences ont été attribués à des utilisations spécifiques et ne sont pas disponibles pour le Wi-Fi. La bande 2,4 GHz a 14 canaux, la bande GHz 5 a 29, et la bande 6 GHZ a 59. Mais bien que les canaux 5 et 6 GHz ne se superposent pas, la plupart des canaux de la bande 2,4 GHz se chevauchent, ce qui augmente le potentiel d’interférence et réduit les taux de transmission. Seulement 3 des 14 canaux disponibles dans la bande 2,4 GHz sont considérés comme ne se chevauchant pas : canaux 1, 6 et 11.

^{Dans la bande de fréquence 2,4 GHz, seuls les canaux 1, 6 et 11 sont considérés comme ne se chevauchant pas.}

La bande passante peut être augmentée par le biais de la liaison de canaux, où plusieurs canaux étroits s’agrègent en canaux plus larges. Dans la bande 5 GHZ, par exemple, des canaux 20 MHz plus petits ne se chevauchant pas peuvent être combinés pour créer quatorze canaux 40 MHz, sept canaux 80 MHz ou trois canaux 160 MHz. L’ouverture de la fréquence 6 GHz avec des canaux 20 MHz 59 qui ne se superposent pas pour le Wi-Fi 6E et 7 s’adapte à plus d’utilisateurs et à une plus grande bande passante en fournissant encore plus d’opportunités de liaison de canal, permettant aux canaux à vingt-neuf 40 MHz, quatorze 80 MHz et sept 160 MHz de prendre en charge plus d’utilisateurs à bande passante élevée. Avec seulement trois canaux qui ne se superposent pas, la liaison de canal dans la bande 2,4 GHz est limitée à un seul canal 40 MHz.

^{Dans les bandes de fréquence 5 et 6 GHz, la liaison de canal peut être utilisée pour augmenter la bande passante lorsque des canaux 20 MHz plus petits sont combinés pour des canaux moins nombreux, mais plus grands 40, 80 et 160 MHz.}

Alors que certains points d’accès Wi-Fi résidentiels (WAP) de base sont configurés avec un nombre limité de canaux, les WAP d’entreprise haut de gamme offrent généralement la possibilité de configurer différents canaux à différentes largeurs. Il est toutefois important de noter que tous les WAP ne prennent pas en charge les largeurs de canaux 160 MHz ou les canaux qui partagent le spectre avec les systèmes météorologiques et radars, appelés canaux DFS. La désignation DFS signifie sélection de fréquence dynamique, un mécanisme qui oblige les WAP à écouter les événements radar et à déplacer automatiquement le trafic hors de ces canaux lorsqu’ils sont détectés. Pour éviter de devoir se conformer aux réglementations DFS et faire certifier leurs WAP, de nombreux fournisseurs choisissent tout simplement de ne pas proposer de canaux DFS. De plus, le temps nécessaire pour analyser les canaux DFS à la recherche d’événements radar et déplacer les clients vers un canal différent peut entraîner des retards qui ont un impact sur les applications en temps réel comme les appels vocaux, ce qui entraîne un son saccadé.

Il est important de noter que la disponibilité des canaux Wi-Fi peut varier selon les régions. Aux États-Unis, tous les canaux dans l’espace de fréquence 5 GHz sont disponibles, à l’exception de ceux compris entre 5350 MHz et 5470 MHz (U-NII-2B). Cependant, des pays comme la Chine et l’Indonésie ont des restrictions qui interdisent l’utilisation de canaux compris entre 5350 MHz et 5730 MHz, et le Japon interdit l’utilisation de canaux compris entre 5735 MHz et 5895 MHz. Et tandis que les États-Unis ont pleinement adopté la bande 6 GHz pour le Wi-Fi, d’autres pays n’en ont approuvé qu’une partie. À mesure que de plus en plus de pays adoptent le spectre 6 GHz à haute fréquence, les réglementations d’utilisation des canaux peuvent évoluer à l’échelle mondiale.  

Outre la liaison de canaux, il existe plusieurs technologies WAP qui peuvent atteindre une bande passante plus importante. La formation de faisceaux constitue une technologie de ce type qui concentre les signaux et les transmet sur plusieurs antennes d’envoi et de réception. On parle également de technologie à entrées multiples et sorties multiples (MIMO). Le signal associé à une antenne est appelé flux spatial et la capacité à prendre en charge plusieurs flux spatiaux est une fonctionnalité du Wi-Fi 5, 6, et 7, le Wi-Fi 7 doublant le nombre de flux spatiaux de 8 à 16.

Autre technologie qui améliore le Wi-Fi : l’accès multiple par division de fréquence orthogonale (OFDMA). Introduit dans le Wi-Fi 6, OFDMA est un schéma de signalisation qui attribue la bande passante plus efficacement en fonction des besoins de l’appareil et s’adapte à plusieurs utilisateurs en même temps. En outre, en maintenant les opérations 2,4 GHZ, le Wi-Fi 6, 6E et 7 peuvent valoriser la plus grande plage de 2,5 GHz pour les capteurs IdO sans-fil à faible vitesse, empêchant ces appareils de ralentir la bande passante dans les canaux 5 GHz et 6 GHz non superposés.

Certains WAP avancés peuvent également disposer de fonctionnalités supplémentaires spécifiques au fournisseur pour améliorer les performances. Par exemple, certains WAP peuvent analyser l’activité des canaux pour sélectionner le meilleur canal et la meilleure largeur de canal pour des périphériques spécifiques ou hiérarchiser le trafic par appareil pour s’adapter aux applications sensibles au retard.

Cellulaire
Comme le Wi-Fi, les communications cellulaires fonctionnent dans la plage UHF 300 MHz à 30 GHz du spectre électromagnétique, à l’exception des communications cellulaires 5G à bande élevée qui fonctionnent dans la plage EHF 30 à 300 GHz. Cependant, contrairement au Wi-Fi, qui fonctionne dans des bandes sans licence, le cellulaire fonctionne dans des bandes sous licence qui ne peuvent être utilisées que par l’entreprise qui les a concédées sous licence, ce qui nécessite un réseau d’accès radio (RAN) et des plans de prestataires de services payants. Par exemple, la 5G à bande moyenne bande AT&T fonctionne à 3,453,55 GHz, tandis que Verizon fonctionne de 3,7 à 3,98 GHz. Le service de radio haut débit (CBRS) de Citizen est la seule technologie cellulaire qui fonctionne dans une bande de fréquences sans licence de 3,55 à 3,7 GHz établie par la FCC pour les réseaux mobiles privés aux États-Unis. Le CBRS est idéal pour les applications contrôlées localement comme le push-to-talk, IoT, et d’autres applications uniques pour les grands campus et les sites industriels, ou pour fournir un service haut débit aux communautés et écoles défavorisées, car il offre une couverture 4 fois supérieure à celle d’un WAP classique et revient moins cher que d’apporter un service 4G ou 5G traditionnel.

Le cellulaire fonctionne sur une gamme de fréquences plus large que le Wi-Fi. La 4G fonctionne de 600 MHz à 2,5 GHz, la 4G LTE fonctionne de 700 MHz à 2,7 GHz et la 5G fonctionne de 450 MHz à 40 GHz. Comme le Wi-Fi, les communications cellulaires exploitent la liaison de canaux pour augmenter la capacité et la bande passante. La 5G prend en charge des tailles de canaux allant de 5 à 100 MHz pour une fréquence inférieure à 6 GHz et de 50 à 400 MHz au-dessus de 24 GHz. En raison de sa large plage de fonctionnement, la 5G est divisée en trois bandes de fréquences : basse, moyenne et haute.

• • La 5G à bande basse est inférieure à 1 GHz. À cette fréquence plus basse, la propagation et la portée sont nettement meilleures, mais la bande passante est limitée. La 5G à bande basse est idéale pour la couverture générale nationale le long des autoroutes et dans les zones reculées et rurales.


• • La 5G à bande moyenne transmet généralement entre 1 et 6 GHz pour équilibrer la couverture et la vitesse. Elle est couramment utilisée pour la connectivité mobile 5G dans les villes et dans les zones et campus suburbains, prenant en charge des vitesses allant jusqu’à environ 2 Gigabits par seconde (Gb/s).


• • La 5G à bande haute fonctionne de 24 à 47 GHz, offrant le débit de données le plus rapide et la latence la plus faible sur de courtes distances. La 5G à bande élevée a une propagation limitée, elle est donc très sensible aux interférences provenant des arbres, des bâtiments et des conditions atmosphériques telles que la pluie et le brouillard, tout en étant moins sensible aux interférences provenant d’autres appareils, car moins d’appareils fonctionnent dans cette plage de fréquences. Cependant, un déploiement 5G haute bande à ligne de visée directe a la capacité d’atteindre des vitesses de données de 20 Gb/s. Il est idéal pour les zones ciblées à haute densité et les communications ultra-fiables à faible latence pour des applications telles que les voitures autonomes, l’automatisation industrielle, la réalité augmentée et virtuelle, et le flux vidéo ultra-haute définition.

La mauvaise propagation de Cellular dans et à travers les bâtiments nécessite souvent des systèmes d’antennes distribuées (DAS) pour fournir un service aux espaces d’entreprise intérieurs. Un DAS comprend des nœuds d’antenne placés dans tout un bâtiment pour améliorer la couverture cellulaire et peut prendre en charge plusieurs fréquences (c’est-à-dire 3G, 4G, LTE, 5G), ce qui lui permet d’être partagé par plusieurs opérateurs et utilisé pour les communications d’urgence. Les petites cellules sont une autre option pour la couverture sans-fil intérieure, mais elles ne prennent en charge qu’une seule fréquence définie pour un seul opérateur. Un DAS est considéré comme un choix plus évolutif et meilleur pour les grandes installations qui doivent prendre en charge plusieurs utilisateurs et opérateurs, en particulier dans les espaces publics très peuplés tels que les centres étudiants, les aéroports, les centres commerciaux, les stades et les centres de congrès.

Le câblage d’un DAS utilise une combinaison de câbles fibre optique, coaxiaux et de catégories, selon le type de système et la configuration. Au niveau de la tête de réseau, un répéteur cellulaire intégré distribue le signal cellulaire aux nœuds sur un câble coaxial dans un système passif ou sur un câble fibre optique et/ou cuivre dans un système actif. Les systèmes coaxiaux passifs sont utilisés dans des installations plus petites où le câble coaxial fonctionne comme l’antenne, mais ils ne fournissent pas le signal le plus fort. Les systèmes actifs conviennent idéalement grands bâtiments et utilisent un câblage en fibre optique et en cuivre entre le répéteur et les nœuds actifs, comme un déploiement Wi-Fi. Un DAS peut également être un hybride des deux, avec un câble à fibre optique se connectant à des unités radio distantes (RRU), qui distribuent ensuite le signal aux antennes passives via un câble coaxial.

Sans-fil à faible vitesse
Le Wi-Fi et le DAS cellulaire ne sont pas les seules technologies sans-fil intérieures utilisées dans l’espace d’entreprise. Une variété de technologies sans-fil à courte portée et à faible vitesse sont utilisées dans une gamme d’applications. La technologie Bluetooth fonctionnant dans la gamme 2,4 GHz est utilisée pour les communications quotidiennes entre appareils, telles que les smartphones et les casques sans-fil, les haut-parleurs et les périphériques tels que les souris et les claviers. Elle est également utilisée pour le contrôle d’accès, les consoles de jeu, les capteurs IoT et les systèmes de localisation en temps réel. Le Bluetooth est disponible sur les appareils de classe 1, de classe 2 et de classe 3. La classe 1 transmet à 100 mW pour atteindre 100 mètres, la classe 2 transmet à 2,5 mW à 10 mètres et la classe 3 transmet à 1 mW à moins de 10 mètres à des vitesses allant de 700 kilooctets par seconde (Kb/s) à 50 mégabits par seconde (Mb/s).

Les technologies similaires à courte portée et à faible vitesse comprennent Zigbee, qui transmet également sur la fréquence 2,4 GHz à environ 20 mètres et à des vitesses allant jusqu’à 250 Kb/s, et Z-Wave, qui fonctionne dans la plage 800 jusqu’à 900 MHz pour moins d’interférences et une plage plus étendue d’environ 100 mètres, mais avec une vitesse de seulement 100 Kb/s. Zigbee et Z-Wave utilisent tous les deux un hub centralisé et peuvent prendre en charge les sauts entre plusieurs appareils. Ces deux technologies sont principalement utilisées pour les compteurs intelligents, l’automatisation des bâtiments, les détecteurs de fumée et d’autres capteurs IoT intelligents, mais Zigbee est plus facilement disponible sur une large gamme d’appareils. Alors que les entreprises déploient davantage de capteurs IoT pour de nombreuses applications, de l’occupation et de la qualité de l’air au contrôle de la foule et à la détection des fuites, de plus en plus de fournisseurs proposent des WAP avec la technologie Zigbee intégrée. La technologie RFID est également considérée comme une technologie sans-fil basse vitesse à courte portée qui fonctionne à basse fréquence (30 à 300 KHz), haute fréquence (3 à 30 MHz) et ultra-haute fréquence (300 MHz à 3 GHz). La RFID est principalement utilisée pour la gestion des stocks de détail, le suivi des actifs, le contrôle d’accès et le paiement mobile.

Des technologies sans-fil longue portée à faible consommation sont également disponibles pour collecter des données à partir d’appareils et de capteurs IoT à très faible vitesse et fonctionnant sur batterie sur des distances beaucoup plus importantes. Ces technologies fonctionnent généralement à très basses fréquences avec d’excellentes vitesses de propagation et de prise en charge jusqu’à environ 1 Mb/s. LoRa est l’une de ces technologies qui fonctionnent à 915 MHz aux États-Unis et à 868 MHz en Europe. Il peut atteindre des distances allant jusqu’à 4,8 km (3 miles) dans les zones urbaines et jusqu’à 16 km (10 miles) dans les zones rurales, bien que les déploiements ruraux à très faible vitesse aillent beaucoup plus loin. LoRa est idéale pour les déploiements IoT à grande échelle tels que les applications de campus et de ville intelligents, l’agriculture intelligente, les appareils portables de santé et le suivi de flotte. Il utilise des passerelles qui reçoivent des données sans-fil, puis les transmettent sur les réseaux câblés existants. Il existe également des technologies sans-fil cellulaires à longue portée et à faible consommation d’énergie telles que Narrowband IoT (NB-IoT) et LTE-M, conçues pour prendre en charge des cas d’utilisation IoT similaires, mais qui utilisent le service cellulaire comme liaison terrestre.

 

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