Par conséquent, une part croissante du trafic internet est transmise sans fil. La gestion de cette croissance représente l'un des défis majeurs pour les futurs réseaux sans fil.
Contrairement aux réseaux câblés, où la capacité peut être augmentée simplement en installant des lignes de fibre optique supplémentaires, l'amélioration des performances des systèmes sans fil est beaucoup plus complexe. Les liaisons sans fil fonctionnent déjà à la limite de leurs capacités physiques théoriques, et il est peu probable que des gains d'efficacité supplémentaires soient possibles. Par conséquent, l'option la plus prometteuse pour augmenter sensiblement la capacité consiste à accroître la bande passante, car le débit de données atteignable est directement proportionnel à la bande passante. Bien que certains efforts portent sur la réaffectation du spectre radioélectrique des basses fréquences, actuellement utilisé à d'autres fins que la communication de données, la bande passante suffisante pour supporter la croissance exponentielle du trafic de données mobiles n'est disponible que dans la bande des très hautes fréquences (VHF). Parallèlement, une réutilisation spatiale efficace est primordiale, et on estime qu'elle a multiplié par 1 600 la capacité des réseaux sans fil au cours des 50 dernières années. Auparavant, cette optimisation était principalement obtenue en réduisant la taille des cellules des réseaux mobiles, c'est-à-dire la zone couverte par une seule station de base mobile. Les réseaux mobiles utilisent également de plus en plus des stations de base de tailles cellulaires variables (une pratique connue sous le nom de « chevauchement ») — macro-, micro- et femto-cellules — pour améliorer l'efficacité du réseau et la réutilisation spatiale.
La tendance vers les hautes fréquences est manifeste, par exemple, dans l'évolution de la norme IEEE 802.11 (sur laquelle reposent les produits sans fil utilisant le Wi-Fi). À ce jour, les normes largement utilisées, telles que l'IEEE 802.11 (notamment IEEE 802.11b/g/n), exploitent les bandes de fréquences non licenciées de 2,4 GHz et 5 GHz. La future norme IEEE 802.11ac, en revanche, fonctionne uniquement dans la bande des 5 GHz, la bande passante disponible à 2,4 GHz étant insuffisante pour atteindre les débits de données escomptés. Bien que ces deux bandes de fréquences présentent des propriétés de propagation radio intéressantes, elles n'offrent tout simplement pas une bande passante suffisante pour répondre aux besoins futurs en capacité, même en tenant compte de la possibilité que les autorités réglementaires mettent à disposition du Wi-Fi des fréquences non licenciées dans un avenir proche. La dernière norme IEEE 802.11ad représente une avancée significative en se concentrant sur le spectre non licencié de 57 à 64 GHz, connu sous le nom de bande des 60 GHz. À 7 GHz, elle offre une bande passante 80 fois supérieure à celle des bandes de fréquences inférieures utilisées pour la norme 802.11 et promet des débits de données proches de 7 Gbit/s. Les progrès récents en matière de conception CMOS (une technologie largement utilisée pour la fabrication de circuits intégrés) permettent la construction de matériel radio 60 GHz à faible coût, ce qui explique l'intérêt commercial important que suscite la commercialisation de dispositifs 60 GHz dans les années à venir.
Malgré ses propriétés avantageuses, cette partie du spectre souffre d'une forte atténuation et d'une absorption importante du signal, ce qui limite la communication principalement aux liaisons en visibilité directe relativement courtes. (La visibilité directe, ou LOS, est la caractéristique de propagation radio à haute fréquence selon laquelle, en général, tout obstacle entre les antennes d'émission et de réception bloque le signal.) Par conséquent, les cas d'utilisation de la norme IEEE 802.11ad impliquent généralement l'emploi d'antennes directionnelles à gain élevé pour compenser cette perte. Ces antennes directionnelles sont particulièrement performantes dans les liaisons point à point statiques, comme le remplacement de câbles, la diffusion de vidéos haute définition entre un lecteur Blu-ray et un écran de télévision, ou le transfert de fichiers à haut débit pour la synchronisation de données avec un appareil mobile. Le passage à d'autres technologies (par exemple, en cas d'indisponibilité d'une liaison en visibilité directe) est explicitement pris en charge par la fonction de transfert rapide de session. Celle-ci permet le transfert complet d'une session de la norme IEEE 802.11ad vers la norme IEEE 802.11, qui fonctionne à des fréquences plus basses. Il prend également en charge les implémentations où la norme IEEE 802.11ad fournit de petits îlots de communication à haut débit, tandis que la couverture globale est obtenue à l'aide de technologies à basse fréquence.
Pour faire face à l'augmentation exponentielle des données sans fil à venir, il est indispensable d'accroître considérablement la bande passante (grâce à des fréquences porteuses plus élevées) et d'optimiser l'utilisation de l'espace, ce qui implique une refonte radicale des réseaux sans fil. La réduction de la taille des cellules et les mesures similaires utilisées par le passé pour améliorer la capacité sont loin d'être suffisantes pour atteindre les gains nécessaires. À l'instar de l'évolution du câblage Ethernet, passé d'un support partagé à un réseau entièrement commuté, nous pensons que les réseaux sans fil doivent évoluer : d'une utilisation du canal sans fil comme support partagé, ils doivent fournir des canaux hautement optimisés aux appareils sans fil.
La clé de l'évolutivité des futurs réseaux sans fil réside donc dans la mise à disposition d'un grand nombre de canaux individuels hautement directionnels pour la communication entre les points d'accès (PA) et les terminaux. Ceci présente deux avantages majeurs. Premièrement, les antennes hautement directionnelles offrent les gains d'antenne nécessaires à une communication haut débit efficace dans les très hautes fréquences, où l'atténuation est importante. À ces fréquences, la communication requiert principalement une visibilité directe. Deuxièmement, grâce à leur directivité, un tel système n'impose que très peu, voire aucune, interférence aux autres terminaux et permet ainsi une réutilisation spatiale plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des technologies actuelles. Ces considérations sont d'autant plus pertinentes pour les futurs systèmes de communication térahertz, qui fonctionneront à des fréquences encore plus élevées, supérieures à 300 GHz.
Le principal défi de cette approche réside dans la nature dynamique de l'environnement radio. Conjuguée à la présence d'appareils mobiles et aux déplacements humains, cette dynamique rend même un environnement intérieur extrêmement changeant, les canaux pouvant apparaître et disparaître très brièvement. Parallèlement, la faible interférence de ces canaux permet de libérer les ressources (temps, fréquence, traitement du signal, etc.) habituellement consacrées à la gestion des interférences, afin d'accroître encore le débit de données entre l'émetteur et le récepteur. Pour garantir un nombre suffisant de canaux en visibilité directe, il pourrait être nécessaire de déployer massivement des points d'accès, dont le nombre pourrait largement dépasser celui des appareils mobiles.
Les recherches d'IMDEA Networks dans ce domaine portent sur la conception d'une architecture de réseau sans fil maintenant plusieurs canaux de visibilité directe entre de multiples points d'accès et terminaux, comme illustré sur la figure 1. Les données sont transmises simultanément sur tous ces canaux. Un terminal utilise plusieurs antennes pour recevoir et décoder plusieurs de ces flux de données ; plus le nombre de flux reçus est élevé, plus le débit de données atteint au niveau du récepteur est important. La principale complexité de conception réside dans la sélection des points d'accès et la configuration de formation de faisceaux de leurs antennes, compte tenu du grand nombre de terminaux que les futurs réseaux sans fil devront prendre en charge. En cas d'impossibilité d'établir des canaux directionnels et pour la transmission rapide des informations de contrôle, le système utilise également un réseau local sans fil conventionnel ne nécessitant ni canaux de visibilité directe ni antennes directionnelles.
Spectre pour les masses : réseaux dans la bande des ondes millimétriques
Comparativement aux systèmes sans fil de pointe, nous prévoyons que ce type d'architecture permettra de :
Être évolutif pour des bandes passantes très élevées et permettre des niveaux de réutilisation spatiale sans précédent, tout en maintenant des niveaux d'interférence très faibles.
En centralisant l'intelligence et le traitement dans le contrôleur de réseau sans fil et le module encodeur/décodeur, il peut être étendu à un nombre de points d'accès beaucoup plus important que les implémentations actuelles, ce qui permet de maintenir un faible coût et une faible complexité du point d'accès.
Grâce à ses mécanismes de mode veille, il peut fonctionner avec une consommation d'énergie similaire ou inférieure à celle des systèmes actuels, malgré l'augmentation importante du nombre de points d'accès.
Nous sommes convaincus que ce projet aura un impact scientifique majeur en ouvrant la voie à une conception plus performante des réseaux sans fil de nouvelle génération. Il s'attaque aux principaux défis des communications sans fil – bande passante, interférences, réutilisation spatiale et complexité du traitement – afin de proposer des réseaux sans fil plus évolutifs, plus économes en énergie et plus rentables. Ces recherches sont menées dans le cadre du projet SEARCHLIGHT, financé par une bourse ERC Consolidator de 1,7 million d'euros octroyée par le Conseil européen de la recherche (ERC). Les bourses ERC sont les plus importantes subventions individuelles accordées aux chercheurs en Europe et constituent un indicateur majeur d'excellence en recherche scientifique. Ce projet s'étend sur cinq ans, d'avril 2014 à mars 2019.
*Semiconducteur métal-oxyde complémentaire.
Par Joerg Widmer, professeur de recherche et responsable de la stratégie de recherche à l'Institut IMDEA Networks
