La première version de la norme Wi-Fi a 20 ans. L'occasion pour nous de revenir sur l'histoire de cette norme de réseau sans fil qui fait désormais partie de notre quotidien. Et de comprendre la longue évolution qui a mené à l'émergence du Wi-Fi 6 (802.11ax), la multiplication des débits et la gestion d'un nombre croissant d'appareils.

La fin des années 90 a été l’occasion d’une petite révolution dans les usages de l’informatique grand public avec l’arrivée d’une technologie de réseau sans fil encore utilisée aujourd’hui : le Wi-Fi. 20 ans après sa première version, elle se repose toujours sur les mêmes bandes de fréquences de 2,4 et 5 GHz.

Pour augmenter les débits, ce sont les blocs utilisés qui sont de plus en plus importants, passant progressivement de 20 à 40, 80 puis 160 MHz. Mais les améliorations apportées vont bien plus loin. De 11 Mb/s à ses débuts, on est passé à 150 Mb/s par flux lors des dix premières années du Wi-Fi.

Des débits maximums théoriques qui peuvent beaucoup varier selon les conditions : intérieur, avec ou sans mur épais, extérieur, distance, etc. Mais aujourd’hui, on grimpe tout de même à plusieurs Gb/s à travers l'agrégation de plusieurs flux. Avantage non négligeable de cette technologie, comme l’USB : sa rétrocompatibilité qui permet d’utiliser de nouveaux appareils avec ceux utilisant des versions antérieures de la norme.

Avant de revenir en détail sur le Wi-Fi 6, un peu d'histoire (voir d'archéologie).

• Wi-Fi : tout ce qu'il faut savoir des différentes normes et technologies

Le Wi-Fi poussé par Apple dès 1999, puis Intel

En 1999 – année du lancement des normes 802.11a et 802.11b du Wi-Fi – Steve Jobs présentait à un parterre de journalistes l'ordinateur portable iBook, avec cette solution sans fil intégrée par défaut.

Elle était alors présentée sous le petit nom d’Airport dans le marketing d'Apple. Fonction aujourd’hui banalisée, pouvoir débrancher son câble réseau en restant connecté était « disruptif » pour l’époque. Quelques années plus tard, en 2003, Intel annonçait son programme Centrino pour PC.

Il s’agissait de proposer une plateforme mobile composée d’un processeur, d’un chipset et d’un contrôleur Wi-Fi ; le tout identifié par un autocollant apposé sur les machines. La première génération – Carmel – comprenait un Pentium-M, un 855 Express et une puce PRO/Wireless 2100B exploitant le Wi-Fi 802.11b.

Le fondeur accusait par contre un train de retard dès le démarrage puisque le 802.11 g était déjà disponible chez certains fabricants dès 2003. À l'époque, Intel souhaitait surtout répandre l’usage de connexions sans fil sur les PC portables avec une solution tout-en-un et une grosse campagne de communication à la clé. Une manière d’accompagner l’usage d’Internet en mobilité, alors que le réseau mondial en était au début de sa démocratisation.

La directrice marketing de l’époque n’y allait d’ailleurs pas avec le dos de la cuillère évoquant le rien de moins que le « plus important lancement effectué par Intel depuis dix ans ». La suite de l’histoire lui donna raison. Pour autant, la plateforme Centrino n’a pas eu l’occasion de fêter ses dix ans le fondeur ayant tué cette « marque » en 2009 pour recentrer sa communication sur son cœur de métier de l’époque : les processeurs.

Les premiers Core i3 et i5, une dénomination toujours utilisée aujourd’hui, étaient d’ailleurs annoncés au même moment. Si le terme Centrino est tout de même resté, il ne concernait plus que les cartes Wi-Fi.

Le programme Centrino présenté comme une transformation majeure par Intel en 2011, son évolution avec Centrino Duo en 2007

La première évolution du Wi-Fi arrive en 2003 : le 802.11 g

Les deux premières générations de Wi-Fi – 802.11a et 802.11b – ont donc officiellement lancé juste avant l’an 2000 par la Wireless Ethernet Compatibility Alliance, qui a rapidement changée de nom pour devenir la Wi-Fi Alliance en 2000 et introduire le terme Wi-Fi (qui ne signifie pas Wireless Fidelity).

Les deux normes de l’époque étaient bien différentes : le Wi-Fi 802.11a utilisant la bande des 5 GHz et grimpant jusqu’à 54 Mb/s, contre respectivement 2,4 GHz et 11 Mb/s pour le 802.11b. Pour rappel, plus une fréquence est basse, plus elle porte loin. À l’inverse, les fréquences hautes disposent généralement d’une plus grande bande passante et donc de débits plus élevés, mais sur une moindre distance.

2,4 et 5 GHz sont pour rappel deux bandes ISM (Industriel, Scientifique et Médical) « libres » – sans licence serait plus juste – et harmonisées à travers le monde, à quelques exceptions près. Le revers de la médaille étant qu’il faut « partager » ces fréquences avec d’autres appareils. Le cas le plus connu est certainement le four à micro-onde, mais les radios amateurs, puces RFID et autres systèmes d’alarme peuvent également être des éléments plus ou moins perturbateurs.

Le 802.11 g lancé en 2003 sera la première grande mise à jour de la norme, remplaçant le 802.11b. Des évolutions techniques lui permettaient d’exploiter la bande de 2,4 GHz avec le débit du 802.11a : 54 Mb/s.

Place au « dual band »… et aux abus marketing

Six ans plus tard (en 2009), le 802.11n pointe le bout de son nez. On parle désormais de Wi-Fi 4, une dénomination mise en place fin 2018 dans un souci de simplification voulu par l’IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers. Malgré ce que l’on pourrait penser, Wi-Fi 1, 2 et 3 ne sont pas officiellement utilisés pour les Wi-Fi 802.11a, b et g.

Le Wi-Fi 4, est la première version de la norme de réseau sans fil à pouvoir utiliser aussi bien la bande des 2,4 GHz que celle des 5 GHz. Mais attention, seule la prise en charge de la première est obligatoire. Il existe donc des produits simple bande (2,4 GHz) et double bande (2,4 et 5 GHz).

Pour améliorer la qualité des connexions, le 802.11n ajoute aussi la focalisation (beamforming) permettant d'adapter le signal émis par le routeur afin qu'il se concentre davantage sur un appareil, augmentant les débits sur celui-ci. Une technique que l’on peut comparer à une lampe torche la nuit : un large faisceau pour éclairer une grande zone avec peu de profondeur, ou bien une lumière plus concentrée portant plus loin.

Les débits maximums théoriques font un bond en avant puisque l’on passe à 150 Mb/s, en passant d’un canal (20 MHz) à deux (40 MHz) via l’agrégation de porteuses. On dépasse alors le débit d’une connexion filaire à 100 Mb/s. On peut même combiner jusqu’à quatre flux pour atteindre 600 Mb/s grâce au MIMO (Multiple Input, Multiple Output).

Problème, derrière un produit Wi-Fi 802.11n « jusqu’à 450 Mb/s » ou « jusqu’à 600 Mb/s » (parfois identifiés N450 ou N600) peuvent se cacher des caractéristiques techniques bien différentes. En effet, un routeur N450 peut proposer 450 Mb/s uniquement sur la bande des 2,4 GHz (3x3 MIMO), 300 Mb/s sur les 2,4 GHz (2x2 MIMO) et 150 Mb/s sur les 5 GHz ou bien 150 Mb/s et 450 Mb/s (2x2 MIMO). Avec 600 Mb/s, les possibilités sont encore plus nombreuses...

Une stratégie dont ont abusé les constructeurs, créant une défiance des utilisateurs vis-à-vis de leurs produits, mais aussi du Wi-Fi de manière générale. Car entre les débits annoncés qui ne sont que des maximums théoriques et ces petits arrangements avec la réalité technique, l’écart entre la promesse de la boîte et la réalité du produit pouvait être important. On ne peut que regretter que la Wi-Fi Alliance n’ait jamais imposé de bonnes pratiques en la matière.

Normes qui tardent, produits en avance de phase

Le 802.11n a longtemps été une arlésienne, la Wi-Fi alliance tardant à finaliser cette nouvelle version de la norme. Impatients, les constructeurs – y compris les fabricants d’ordinateurs portables - n’avaient pas attendu pour lancer des produits plusieurs années avant (dès 2006).

Pour cela, il se sont basés sur les brouillons successifs, parfois appelées « drafts N » ou « pré-N » (voir l'image ci-dessus). Ils promettaient une compatibilité avec la version définitive de la norme via une mise à jour des firmwares. Bonne nouvelle tout de même : dans l’ensemble, la transition s’est bien déroulée.

Le Wi-Fi 5 (802.11ac) a également mis du temps à être finalisé. Les travaux de normalisation de la Wi-Fi Alliance étaient à nouveau en retard par rapport à l'empressement des constructeurs à renouveler leur offre en lançant leurs nouveaux modèles dans le commerce. Nous avons donc eu tout d’abord droit à des brouillons de la norme, là encore plusieurs années longtemps avant la version définitive qui a été adoptée en 2013.

Le Wi-Fi 5 (802.11ac) à plus de 1 Gb/s (ou presque)

Le 802.11ac augmente largement les débits sur la bande des 5 GHz uniquement, en grimpant à 433 Mb/s. Pour y arriver, il prend en charge des blocs de 80 MHz et la QAM 256 (modulation d'amplitude en quadrature) au lieu QAM 64 sur le 802.11n. En QAM 256, 8 bits de données sont transmis (2^8 = 256), contre 6 bits en QAM 64 (2^6 = 64).

Dans la pratique, cette technique permet une augmentation des débits de à 25 à 33 % en moyenne. Au final, le Wi-Fi 5 peut ainsi grimper à un maximum de 1,3 Gb/s en 3x3 MIMO. Comme pour les produits de génération précédente, les constructeurs vont rapidement faire n’importe quoi, et pas uniquement sur l’annonce des débits maximums théoriques, en additionnant toutes les bandes passantes des fréquences disponibles.

Ainsi, Buffalo a par exemple lancé une clé Wi-Fi 802.11ac en mettant en avant sa vitesse de 866 Mb/s… alors qu’elle se connectait via un port USB 2.0… à 480 Mb/s maximum. Citons également un routeur ASUS jusqu’à 733 Mb/s avec des ports réseau Ethernet à 100 Mb/s, bien que le Gigabit était déjà la norme depuis longtemps.

La Wave 2 double la mise en 2016, gare à la DFS

Plutôt que de travailler tout de suite à une nouvelle norme, la Wi-Fi Alliance a produit une évolution du 802.11ac en 2016 : la Wave 2, dont les évolutions sont en général méconnues du grand public, bien que très intéressantes. Là encore, elles ne concernent que la bande des 5 GHz.

Cette seconde vague signe l’arrivée du MU-MIMO (Multiple Users MIMO) permettant à un routeur de communiquer avec plusieurs appareils simultanément en MIMO, plutôt que chacun leur tour. Bien évidemment, le MU-MIMO peut fonctionner de pair avec la focalisation (beamforming) introduite dans le 802.11n.

Les débits sont doublés à 867 Mb/s via l’utilisation de blocs de 160 MHz (soit huit canaux), pour un maximum de quatre flux (4x4 MIMO), soit jusqu’à 3,4 Gb/s. Pour cela, l'utilisation des canaux DFS (Dynamic Channel Allocation) est en général nécessaire. Pour rappel, il s'agit d'une portion de bande Wi-Fi (ou canal) pouvant être exploitée à la seule condition qu'aucun signal prioritaire (radar, station météo, usage militaire) ne soit détecté. Si tel est le cas, le canal est coupé.

En Europe, les réseaux sans fil comme le Wi-Fi peuvent exploiter des fréquences allant de 5 150 à 5 350 MHz et de 5 470 à 5 725 MHz. Dans une décision du 11 juillet 2005, la Commission européenne indique que l'utilisation des bandes « 5 250 - 5 350 MHz et 5 470 - 5 725 MHz ne peut se faire qu'en instaurant des limites de puissance et des techniques d'atténuation qui garantissent que les WAS/RLAN n'interfèrent pas avec les systèmes radars ni leurs applications. La régulation de la puissance de l'émetteur (TPC) et la sélection dynamique de fréquence (DFS) ».

Une représentation des canaux Wi-Fi - Crédits : Cisco

Les canaux de 20 MHz voient leur chiffre varier de 36 à 140 en Europe. Le DFS est nécessaire dès le canal 52. Retrouver un numéro de canal par rapport à sa fréquence est simple : 

Fréquence = 5 000 +(5 * numéro de canal)

Sur une configuration 2x2 MIMO, la plus courante dans les PC portables et autres clés Wi-Fi de base, on peut atteindre 1,7 Gb/s en théorie et 1 Gb/s dans la pratique selon nos tests. Une capacité présente dans certains routeurs, mais également dans la Freebox Delta lancée par Free l'année dernière.

La norme 802.11ac devait aussi permettre de grimper à 6,9 Gb/s avec un maximum de huit flux (8x8 MIMO, toujours sur des blocs de 160 MHz), mais aucun produit de ce genre n’est actuellement commercialisé et ne devrait pas forcément l’être puisque la relève et déjà disponible : le Wi-Fi 6 (802.11ax).

• Que vaut le Wi-Fi Gigabit du Server de la Freebox Delta face à celui du XR500 de Netgear ?

Pas encore officialisé, le Wi-Fi 6 était déjà une réalité

Comme pour les précédentes versions du Wi-Fi, les premiers routeurs, ordinateurs et smartphones compatibles étaient déjà disponibles bien avant que la norme ne soit finalisée.

Intel était particulièrement actif sur le sujet avec du Wi-Fi 6 (nommé Gig+) pour ses plateformes à base de processeurs Core de 10e génération et les produits de ses partenaires. Ils se basaient alors sur les différents brouillons de la norme Wi-Fi 6 qui se sont enchaînés depuis 2017. Sans problèmes constatés dans la pratique.

Depuis peu, c'est le bout du tunnel : le programme certification Wi-Fi 6 (alias 802.11ax) a été officiellement lancé par la Wi-Fi Alliance mi-septembre. En théorie, cette certification permet d'assurer aux consommateurs que les produits respectent parfaitement la norme et ne poseront donc aucun problème d'interopérabilité. 

En l'espace d'un mois, plus d'une quarantaine de produits ont été certifiés Wi-Fi par l'Alliance (contre près de 12 000 en Wi-Fi 5). Une petite trentaine de références correspondent à des smartphones Samsung, mais on retrouve aussi des routeurs Buffalo et Ruckus ainsi que des puces Marvell, Broadcom, Qualcomm et Intel.

Avec le Wi-Fi 6 arrive WPA3, QAM 1024, OFDMA, TWT, BSS Color...

Pour obtenir la certification Wi-Fi 6, un produit doit respecter certaines règles, dont proposer WPA3 afin de renforcer la sécurité des échanges. Pour rappel, cette norme est une évolution du WPA2 qui permet notamment de se protéger de la faille KRACK, de renforcer la phase d'échange de clés, de simplifier la connexion d'appareils ne disposant pas d'une interface visuelle et de proposer (enfin) du chiffrement individualisé dans les réseaux ouverts. 

La Wi-Fi Alliance met également en avant d'autres fonctionnalités du Wi-Fi 6 : la prise en charge du QAM (Modulation d'Amplitude en Quadrature) 1024 au lieu de 256, soit une augmentation théorique des débits de 25 % environ, ainsi que l'Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) optimisant l’utilisation des fréquences et la latence. 

Netgear explique que cette technique se charge « de diviser les signaux de transmission de données en signaux plus petits. Le routeur envoie ces petits signaux directement à des appareils distincts de votre réseau [qui] peuvent être servis dans la même plage de transmission ». Cette fonctionnalité est notamment pensée pour prendre en charge la multiplication des objets connectés se trouvant à la maison. Par contre, pour que l’OFDMA soit réellement efficace, il faut que le routeur et l’ensemble des clients Wi-Fi soient compatibles.

TP Link y va de sa métaphore, qui sera sûrement plus parlant pour certains : « Imaginez votre connexion Wi-Fi comme une série de camions livrant des paquets de données à vos appareils. Avec le Wi-Fi 5, chaque camion de livraison ou paquet ne peut livrer qu'un colis à un appareil à la fois. Mais avec le Wi-Fi 6 et l'aide de l'OFDMA, chaque camion peut livrer plusieurs colis simultanément à plusieurs appareils. Cette amélioration fonctionne pour les téléchargements et les uploads ». 

Signalons aussi le Multi-User Multiple Input Multiple Output (MU-MIMO) en upload en plus du download déjà présent sur le Wi-Fi 5, le Target wake time (TWT) pour améliorer « considérablement la durée de vie des batteries dans les périphériques Wi-Fi, notamment les objets connectés » et le BSS Color pour limiter les conflits de réseau avec les voisins. Autant de fonctionnalités « invisibles » pour les consommateurs, mais qui permettent tout de même d'améliorer son expérience quotidienne.

Les canaux de 160 MHz sont également de la partie, mais ils ne sont pas propres au Wi-Fi 6 puisqu'il était déjà possible d'en profiter en Wi-Fi 5 Wave 2. 

Le Wi-Fi 6 concerne à la fois les 5 GHz et la bande des 2,4 GHz

Cisco rappelle une autre différence fondamentale entre le Wi-Fi 5 et le Wi-Fi 6 : « Contrairement au 802.11ac [WiFi 5], 802.11ax [Wi-Fi 6] est une technologie bibande 2,4 GHz et 5 GHz. Par conséquent, les clients qui utilisent uniquement la bande 2,4 GHz peuvent directement tirer parti de ses bénéfices ». Pour rappel, la dernière évolution sur la bande des 2,4 GHz date en effet du Wi-Fi 4 (alias 802.11n) de... 2009 (on trouvait des produits « pré-N » en vente dès 2006).

La Wi-Fi Alliance explique qu'il est au final possible de grimper jusqu'à 9,6 Gb/s en Wi-Fi 6 8x8, soit un maximum de 1,2 Gb/s par flux. C'est la première fois que le palier du Gb/s sur un seul flux est dépassé par le Wi-Fi. Un maximum de douze flux peuvent être gérés : quatre sur la bande des 2,4 GHz (1,2 Gb/s) et huit sur la bande des 5 GHz (9,6 Gb/s), soit une bande passante théorique de plus de 10 Gb/s.

La myriade des normes Wi-Fi

Il serait injuste de limiter le Wi-Fi à ces six normes, car il en existe bien d’autres. Certaines technologies ont le vent en poupe, comme les réseaux maillés (802.11 s) qui permet de créer un réseau unifié afin que les utilisateurs puissent profiter de leur connexion dans toutes les pièces de la maison sans interruption lorsqu’il change de point d’accès.

Ces solutions sont composées d’un routeur et de satellites permettant d’étendre la couverture. Certains fabricants proposent aussi des réseaux unifiés avec des technologies maison. Mais on pense également à l'adaptation des bandes de fréquences (802.11k/v), l'itinérance (802.11r) ou la protection des frames de gestion (PMF, 802.11w).

Le 802.11mc pour la géolocalisation est pris en charge par Android 9.0 Pie. Grâce à la trilatération il permet d’estimer la position d’un terminal (notamment en intérieur) en se basant sur le temps mis par le signal pour effectuer un aller/retour avec la borne. Le 802.11ah est pensé pour les objets connectés et la basse consommation.

Nous pouvons également citer le 802.11ad (anciennement WiGig) qui « complète » le 802.11ac avec des débits de plusieurs Gb/s, mais dans une bande différente avec une très courte portée : 60 GHz. Intel a beaucoup misé sur cette solution, la présentant longtemps comme le futur de la connectivité des PC portables, en complément de la charge sans fil. Cela n’est jamais arrivé et très peu de produits 802.11ad ont vu le jour.

Il existe également le Wi-Fi Direct pour connecter des appareils directement entre eux, Miracast pour diffuser de la vidéo, Wi-Fi Vantage pour les professionnels, etc.

One more thing : le ou la Wi-Fi ?

Nous ne pouvions par rédiger cet article sans traiter une question vitale : le terme Wi-Fi est-il masculin ou féminin ? Si l'inspiration de Hi-Fi (High Fidelity) pour l’audio n'est pas loin, Hi-Fi étant féminin (en plus d’être invariable), certains pourraient penser qu’il en est de même pour Wi-Fi.

Perdu. Pour le Larousse, il n’y a pas de doute : Wi-Fi est un nom masculin invariable. De plus, selon la Commission d'enrichissement de la langue française le Wi-Fi est un « accès sans fil à l'Internet » en français, là encore masculin. N’en déplaise à Christine Albanel qui parlait de « la Wi-Fi » lors d’une allocution à l’Assemblée nationale.

Vous n’avez désormais plus d’excuse pour vous tromper et des arguments pour défendre « le Wi-Fi » lors d’un repas de famille par exemple.