Introduction aux réseaux sans fil

Un réseau sans fil est un réseau de communication qui utilise des couches de protocole, notamment la couche d'application, la couche de contrôle d'accès au médium (MAC) et la couche physique (PHY), ainsi que des signaux radiofréquence (RF) pour émettre et recevoir des données entre des dispositifs sur un canal sans fil. Les réseaux sans fil sont caractérisés par des nœuds et des liaisons qui représentent les connexions entre ces nœuds.

Le design d'un réseau sans fil s'accompagne de différents défis, notamment la couverture et la portée, les interférences, la capacité et la bande passante, la qualité de service (QoS) et la scalabilité. Pour relever ces défis, les ingénieurs doivent configurer les architectures des réseaux sans fil, concevoir des protocoles de planification et d'exploitation, et garantir que les indicateurs de performance clés (KPI), tels que le débit, la latence et le taux d'erreur paquet, sont atteints.

Vous pouvez utiliser MATLAB^® pour explorer l'espace des réseaux sans fil en simulant et en analysant les composants d'un tel réseau, notamment :

• Les topologies de réseaux sans fil
• Les nœuds de télécommunications avec leurs piles de protocoles
• Les algorithmes MAC incluant la planification des ressources, la hiérarchisation du trafic et la qualité de service
• Le placement des nœuds et leur mobilité
• Les modèles des canaux et les imperfections

Topologies de réseaux sans fil

Il est important de comprendre la topologie d'un réseau sans fil, car celle-ci définit la disposition des nœuds au sein du réseau. Elle décrit à la fois l'organisation physique des nœuds et les chemins empruntés par les données entre ces derniers.

MATLAB vous permet de simuler et d'analyser différents types de topologies, notamment les suivantes :

1. Topologie en étoile : architecture point à point où les nœuds communiquent directement avec un point d'accès central.
2. Topologie en réseau maillé : architecture pair-à-pair dans laquelle chaque nœud du réseau est interconnecté avec plusieurs autres nœuds.
3. Maillage hybride : combinaison des caractéristiques des topologies en étoile et en réseau maillé. Une telle topologie comprend généralement un point d'accès connecté aux nœuds du maillage.

Le choix de la topologie dépend de facteurs tels que la finalité du réseau, son échelle et les caractéristiques de performance souhaitées.

Les réseaux sans fil peuvent être classés en deux grandes catégories : les réseaux homogènes et les réseaux hétérogènes. Ces termes font référence à la composition et aux caractéristiques de l'infrastructure réseau et des dispositifs qui y sont connectés. Un réseau sans fil homogène est constitué de nœuds qui utilisent la même technologie d'accès : c'est le cas, par exemple, d'un réseau constitué uniquement de composants WLAN (Wireless Local Area Network). En revanche, un réseau sans fil hétérogène intègre plusieurs technologies d'accès, par exemple une combinaison de WLAN, Bluetooth^® et 5G.

Nœuds d'un réseau sans fil

Chaque nœud d'un réseau sans fil possède sa propre pile de protocoles, c'est-à-dire l'ensemble des protocoles réseau et des couches logicielles qu'il utilise pour communiquer et participer au réseau. Bien que chaque pile de protocoles puisse varier en fonction de la norme de communication spécifique utilisée, elles adhèrent généralement toutes à la structure fondamentale fournie par le modèle d'interconnexion de systèmes ouverts (OSI).

Vous pouvez utiliser 5G Toolbox™, WLAN Toolbox™ et Bluetooth Toolbox™ pour modéliser des réseaux sur une pile de protocoles du modèle de référence OSI, ce qui renforce votre compréhension des diverses fonctionnalités exécutées aux différentes couches.

Par exemple, la pile interne aux nœuds d'un réseau de communication 5G peut être modélisée comme suit :

La pile de protocoles permet au nœud de gérer diverses tâches et responsabilités pour chacune des couches de l'architecture réseau. Elle est basée sur le modèle OSI, qui est un framework conceptuel standardisant les fonctions et interactions des différents protocoles et systèmes au sein d'un réseau. Chaque nœud de communication exploite ses diverses fonctionnalités exécutées sur différentes couches.

Voici un aperçu des différentes couches de la pile de protocoles OSI et du rôle que joue chacune d'elle :

• Couche physique : elle traite des tâches telles que la modulation, l'encodage, l'émission et la réception d'ondes radio.
• Couche de liaison de données : elle gère des questions telles que l'accès au canal, le contrôle d'accès au médium (MAC), la détection et la correction des erreurs.
• Couche réseau : elle se concentre sur le routage et le transfert des paquets de données entre les différents nœuds du réseau. Elle gère des tâches telles que l'adressage IP, les protocoles de routage et la gestion de la congestion du réseau.
• Couche de transport : elle gère des tâches telles que la segmentation, le contrôle des flux et la récupération des erreurs. Cette couche utilise des protocoles comme TCP (Transmission Control Protocol) et UDP (User Datagram Protocol).
• Couche de session : elle gère la synchronisation des sessions, les points de contrôle et la récupération.
• Couche de présentation : elle garantit que les données sont échangées entre les applications dans un format compréhensible par les deux parties.
• Couche d'application : c'est à ce niveau que les applications et services des utilisateurs interagissent avec le réseau. Elle comprend des protocoles tels que HTTP, FTP et SMTP.
  

Canaux dans un réseau sans fil

Dans un réseau sans fil, un canal désigne une partie spécifique du spectre radioélectrique et de l'environnement physique qui est allouée à l'émission et à la réception de signaux de télécommunications. Les allocations de canaux divisent le spectre de fréquences disponible en bandes plus petites. Chaque canal fonctionne à une fréquence centrale spécifique et utilise une bande passante, c'est-à-dire une plage de fréquences au sein du spectre radioélectrique. Par exemple, dans la bande des 2,4 GHz, les canaux Wi-Fi^® sont espacés de 5 MHz, tandis que dans la bande des 5 GHz, les canaux ont typiquement une largeur de 20 MHz ou plus.

Les canaux sont l'environnement dans lequel toutes les distorsions (y compris le bruit, les imperfections et les interférences) s'ajoutent à un signal émis. Les ingénieurs en télécommunications utilisent MATLAB pour travailler sur la modélisation des canaux et les techniques de compensation, notamment la correction par offset en fréquence de la porteuse, l'atténuation des interférences et la capacité pour les réseaux sans fil de coexister. Des interférences se produisent lorsque plusieurs dispositifs de télécommunications exploitent le même canal ou des canaux qui se chevauchent, ce qui entraîne une dégradation du signal et une réduction des performances. La coexistence désigne la capacité de plusieurs réseaux ou dispositifs sans fil à fonctionner dans le même environnement sans provoquer d'interférences significatives entre eux.

Indicateurs de performance clés d'un réseau sans fil

Le design et l'optimisation de réseaux sans fil nécessitent d'examiner de plus près les indicateurs de performance clés (KPI) au niveau des nœuds et du réseau. MATLAB offre une plateforme pour l'analyse des KPI :

• Débit : quantité de données pouvant être transmises sur un réseau sans fil dans un temps donné.
• Latence : intervalle de temps qui s'écoule entre l'initiation d'un transfert de données et la réception de la réponse ou de l'accusé de réception correspondant.
• Équité de l'allocation des ressources : répartition équitable des ressources réseau disponibles entre les différents utilisateurs ou dispositifs d'un réseau sans fil. 
• Utilisation des ressources : efficacité de l'utilisation des ressources, mesurée en pourcentage des ressources utilisées par rapport au total des ressources disponibles.
• Efficacité spectrale : quantité de données pouvant être transmises de manière fiable sur une bande passante ou une plage de fréquences donnée.
• Densité de connexions réalisable : capacité du réseau à accueillir simultanément un grand nombre d'équipements ou d'utilisateurs.

Simulation de réseaux sans fil avec MATLAB

Vous pouvez utiliser MATLAB et ses toolboxes de télécommunications pour modéliser, simuler et optimiser les réseaux sans fil. Ces réseaux peuvent s'appuyer sur des normes telles que la 5G et le WLAN ou être des réseaux généraux ad hoc. Le choix de la norme guide également le processus adopté pour spécifier les canaux, ainsi que configurer les modèles de trafic et les détails du protocole.

Par exemple, MATLAB vous permet de créer en moins de 15 lignes de code une simulation de réseau simple, qui inclut un workflow simplifié avec des fonctionnalités de nœud. De plus, vous pouvez développer, configurer et personnaliser le code grâce aux actions suivantes :

• Création d'un nouveau réseau
• Ajout de nœuds au simulateur
• Interactions avec les nœuds
• Planification d'actions à effectuer durant les simulations
• Intégration de modèles de canaux personnalisés

% Simulation durations in terms of 10ms frames
rng('default'); 
numFrameSimulation = 100; 

% Create simulator
networkSimulator = wirelessNetworkSimulator.init(); 

%Create the gNB
gNB = nrGNB(TransmitPower=34, CarrierFrequency=2.6e9, ... 
    ChannelBandwidth=5e6); 

% Create the UEs
uePositions = [300 -400 0; 700 700 0; -1000 500 0; -1000 -500 0]; 
UEs = nrUE(Position=uePositions, TransmitPower=23); 

% Form the NR cell by connecting UEs to gNB
connectUE(gNB, UEs, FullBufferTraffic="on"); 

% Add nodes to the simulator and run the simulation
addNodes(networkSimulator, gNB); 
addNodes(networkSimulator, UEs); 
run(networkSimulator, numFrameSimulation*1e-2); 

% Read performance metrics
gNBStats = statistics(gNB) 
ueStats = statistics(UEs); 

Extrait de code MATLAB qui implémente une simulation de réseau sans fil grâce à la bibliothèque Communications Toolbox Wireless Network Simulation Library.

Ces fonctionnalités sont disponibles via la bibliothèque Wireless Network Simulation Library, un module complémentaire gratuit de Communications Toolbox™. Elle propose des fonctions, des applications et des exemples pour une simulation efficace et personnalisable des réseaux sans fil.