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Problématique d’accès au Medium ; Norme des réseaux locaux sans fils ; contrôle

Problématique d’accès au Medium ; Norme des réseaux locaux sans fils ; contrôle de lien ; notion de trame ; synchronisation ; protocole et retransmission ; codes de détection et correction d’erreur Introduction Les évolutions actuelles des applications informatiques induisent pour les réseaux des besoins toujours accrus en termes de débit, de temps de transit et de mobilité. Cela conduit à une évolution des réseaux selon trois axes principaux qui sont la migration vers les hauts débits, l'émergence de réseaux sans fil et le nécessaire couplage de ces deux technologies. Nous nous intéresserons ici aux réseaux locaux sans fil, qui présentent du fait de l'absence de câblage et de connectique des avantages évidents pour la mobilité ainsi que pour la facilité d'installation et d'utilisation. Cette facette des réseaux est associée à une activité de recherche en pleine évolution qui traite aussi bien des caractéristiques très typées du médium que des techniques de cryptage des informations diffusées. Par leur diversité ces thèmes prouvent qu'il est nécessaire de repenser le réseau dans sa globalité en adaptant les topologies et les protocoles avec un effort particulier sur ceux des couches basses. La mobilité ainsi acquise pourra aboutir au développement de nouvelles applications qui risquent de faire évoluer les mentalités et les désirs des utilisateurs dans des domaines tels que le multimédia ou les applications industrielles de type temps réel. La libération de bandes radio et l'utilisation judicieuse du médium infrarouge libre de droit permettent d'envisager une ouverture vers une grande variété de solutions. Ces thèmes de recherche dérivent tous plus ou moins des caractéristiques de ces médiums, qui imposent des topologies spécifiques. Le développement de solutions sans fil n'est pas par conséquent une simple transposition des techniques filaires mais impose une reprise de l'ensemble du modèle OSI. Si la couche physique est bien évidemment concernée, il y a lieu aussi d'envisager des modifications d'envergure au niveau de la plupart des autres couches. La prise en compte de nouvelles topologies développées sur un médium très typé justifie la mise en place de méthodes d'ingénierie de réseaux beaucoup plus globale que celles relatives aux réseaux locaux câblés. Deux exemples simples permettront d'illustrer les thèmes de recherche qui nous intéressent plus précisément. 1- Problématique de l'accès au canal Une fonction particulièrement importante de la couche liaison de données est la gestion de l’accès au canal physique. Si cette fonction est relativement simple à réaliser lorsque la topologie est de type point à point, elle l'est beaucoup moins dans le cas d'une topologie multipoints, fréquente dans les réseaux de diffusion, les réseaux hertziens et les réseaux informatiques. Figure 1: Couche liaison de données, topologie multipoints La gestion de l'accès des stations au canal est généralement réalisée en tenant compte de facteurs quantitatifs et qualitatifs très divers, tels que le temps moyen d'accès au médium, le rendement moyen du canal de transmission ou la courtoisie d'accès. Pour le cas des topologies présentées ci-dessus (figure 1), particulièrement représentatives des réseaux informatiques, des réseaux mobiles et des réseaux industriels, la gestion de l’accès peut être résolue en confiant à l’une des stations le soin d’attribuer explicitement aux autres le droit d’occuper le canal. Une alternative également rencontrée consiste à faire passer, entre les stations, un jeton dont la possession donne à une station le droit d'émettre ses données dans le canal. Il en est ainsi, par exemple, de l’anneau ou du bus à jeton. Dans un cas comme dans l’autre, les stations échangent, pour le contrôle d’accès, des trames d’un type particulier (invitation à émettre, jeton). Cette fonction appartient donc indubitablement à la couche liaison de données. Le cas est moins clair, en revanche, lorsque l’accès au canal s’opère par compétition entre stations, à l’exemple du protocole Ethernet et des réseaux mobiles, ou lorsque le droit d’émettre est octroyé bit à bit. On peut alors très bien considérer que la gestion d’accès au canal fait partie intégrante de la couche physique et la traiter comme telle. Par souci d’unité, le choix a cependant été fait, dans cet ouvrage, de traiter cette problématique dans le présent chapitre. 1-1-Caractéristiques des médiums sans fil Nous parlons de réseau local sans fil pour évoquer une solution réseau dont l’étendue géographique est à l’échelle d’un réseau local. Les médiums sans fil sont des supports immatériels qui reposent sur l'utilisation de certaines ondes électromagnétiques diffusées à l'aide d'antennes pour la radio ou de dispositifs optiques se comportant comme telles pour l'infrarouge. L'énergie correspondant au signal transmis est rayonnée dans un volume et par conséquent la propagation de ce signal n'est pas ou peu guidée. Il apparaît alors des différences majeures entre les caractéristiques des médiums sans fil et celles connues pour les médiums filaires. Ces différences entraînent des contraintes techniques particulières mais offrent aussi de nouvelles possibilités en termes de mobilité par exemple. La différenciation des médiums sans fil se fait selon le type (radio, infrarouge) et la zone de spectre utilisée sur laquelle est généralement centrée la fréquence porteuse du signal transmis. Les caractéristiques de la transmission sont non seulement influencées par le type de modulation appliquée à cette porteuse mais aussi très fortement par les conditions de propagation rencontrées dans les zones de communication et par le déplacement des entités communicantes. Selon les conditions du milieu traversé (chaleur, poussière, humidité, rayonnement, etc.) et les propriétés des objets rencontrés (matière, forme, opacité, état de surface), l'onde transmise va engendrer une ou plusieurs ondes plus ou moins puissantes qui résultent des déviations (diffraction, réflexion, etc.) subies par l'onde initiale. Ainsi, le milieu et les objets rencontrés sur le trajet de l'onde vont modifier les différents paramètres qui la caractérisent (fréquence, amplitude, phase) et entraîner des dispersions du signal donnant lieu notamment à ce qui est appelé l'effet "trajets multiples" (multipath effect) et à ses conséquences tels que les phénomènes de chevauchements de symboles dus à la dispersion des délais d'arrivée ou les évanouissements de type Rayleigh (fading) par exemple. Ce constat justifie une démarche particulière consistant à exploiter systématiquement une ou plusieurs redondances dans les solutions étudiées, par exemple en équipant un récepteur dit en râteau (rake) de plusieurs antennes positionnées différemment afin d'y cumuler l’énergie reçue des différents échos d’un signal ou de commuter sur le meilleur. On parle alors de diversité : spatiale, temporelle, etc. Les effets des perturbations sur le signal obtenu seront plus ou moins perceptibles lors de la réception selon la méthode de modulation utilisée. La modulation consiste à réaliser le transfert de l'information en faisant varier une ou plusieurs des caractéristiques (fréquence, amplitude, phase) formant l'onde porteuse. Ceci a pour conséquence d'augmenter la taille de la bande spectrale utilisée pour la transmission. Les modulations adaptées au médium radio peuvent être regroupées en deux familles distinctes : - les modulations traditionnelles et leurs variantes numériques qui diffusent l'énergie sur une bande la plus étroite possible afin de pouvoir répartir la bande passante utilisable entre les utilisateurs; - les modulations à étalement de spectre qui diffusent l'énergie sur toute la largeur d'une bande de fréquence selon des sauts de fréquence (Frequency Hopping Spread Spectrum) ou par séquencement direct (Direct Sequence Spread Spectrum) Ces types de modulations sont beaucoup plus résistants au bruit ambiant et aux mauvaises conditions de propagation que les méthodes précédentes. En effet, elles peuvent tirer bénéfice de la diversité des fréquences utilisées et s'intégrer aux conditions électromagnétiques de l’existant. L’énergie étant ainsi répartie, un conflit local sur une partie de la bande passante n’est pas critique. D'autres avantages sont liés à ces techniques, ils seront détaillés dans la partie 3.3. Le médium infrarouge est majoritairement utilisé avec des modulations impulsionnelles, proches de celles utilisées pour la fibre optique 1-2- Contraintes particulières du médium sans fil Les principaux inconvénients du médium sans fil sont liés au phénomène de diffusion du signal qui entraîne une dispersion de l'énergie émise, avec pour conséquences : - une limitation de la portée du signal : le rapport de la puissance du signal reçu sur celle du bruit doit être au-dessus d'un seuil pour qu'une réception correcte puisse se faire. Le signal émis étant atténué en fonction de la distance (loi en 1/d2 dans le cas le plus favorable), les perturbations vont limiter le rayon d'action de l'émetteur. La zone dans laquelle s'effectue une bonne réception est appelée "cellule"; - des problèmes de confidentialité : tous les récepteurs au sein d'une même cellule recevant la même information, il peut être nécessaire de crypter les informations jugées confidentielles; - une pollution locale de l'environnement électromagnétique plus ou moins facile à contrôler : l'activité au sein d'une cellule contribue à l'existence du bruit pour les cellules avoisinantes. La normalisation en gérant notamment les puissances d'émission permet de réduire ces effets; - une qualité de liaison moindre : les taux d'erreurs observés sont beaucoup plus élevés que ceux des médiums filaires et aussi extrêmement variables dans le temps. Ces taux d'erreurs sont de l'ordre de 10-4 alors qu'ils peuvent être de 10-10 pour des réseaux filaires et nécessitent des protocoles spécifiques au niveau de la couche Liaison; - uploads/Ingenierie_Lourd/ expose-du-groupe-iii.pdf