WiMAX

WiMAX réunit donc plusieurs standards, tous à des états d'avancement différents, qui sont autant d'axes de travail du groupe IEEE 802.16.

Les principales normes publiées au début de l'année 2005 sont indiquées en gras : a, d et e.

Historiquement conçu pour la partie 10-66 GHz en 2001, la norme 802.16 a concerné par la suite, les bandes 2-11 GHz pour donner naissance en 2003, à la norme 802.16a. En Europe, la gamme des 3,5 GHz a été retenue pour le déploiement du 802.16a ; aux États-Unis, les bandes choisies sont proches de celles exploitées par le Wi-Fi avec 2,4 et 5 GHz. Cette portion du spectre est celle qui concentre le plus d'applications et de développements au sein du WiMAX Forum.

Le 802.16a a été amendé depuis, par le 802.16-2004 ce qui d'un point de vue technique devrait entrainer l'abandon de la terminologie « a ». Conduite par le groupe de travail IEEE 802.16d, cette version amendée est parfois également appelée 802.16d.

En plus du 802.16-2004 qui représente le WiMAX du début d'année 2005, figure également le 802.16.2, un standard qui définit l'interopérabilité entre toutes les solutions 802.16 et les solutions (comme le Wi-Fi) qui sont présentes sur les mêmes bandes de fréquence.

Deux standards complémentaires ont également été publiés :

• « e » est considéré comme le plus avancé et le plus intéressant d'un point de vue commercial car il apporte la mobilité (permettant à la fois le passage d'un relais à l'autre ainsi qu'un fonctionnement embarqué en véhicule, lors de déplacements)
• « f », secondaire, lequel doit spécifier une MIB pour la gestion des couches MAC et physiques.

À ces standards, doivent s'ajouter certains tests de conformité dont certains ont été publiés ; notamment ceux portant sur les fréquences entre 10 et 66 GHz. Les tests concernant les fréquences entre 2 et 11 GHz ont été publiés dans un second temps.

La norme IEEE 802.16 a été initialement conçue pour les communications en visibilité directe (point à point, en ligne de vue) dans la bande des 10 - 66 GHz. Étant donné que les transmissions à hautes fréquences en visibilité indirecte sont difficiles, la spécification 802.16a a été conçue pour travailler dans une bande plus basse couvrant les fréquences de 2 à 11 GHz. La spécification IEEE 802.16d est une variante de la norme fixe IEEE 802.16a avec pour avantage principal l’optimisation de la puissance consommée par les dispositifs terminaux (Subscriber Station). La spécification IEEE 802.16-2004 inclut de nouvelles améliorations. La norme IEEE 802.16e est un amendement des spécifications de base 802.16-2004 qui visait le marché des terminaux mobiles par l’ajout du transfert intercellulaire. Les produits basés sur les normes IEEE 802.16-2004 et IEEE 802.16e sont conçus pour fonctionner parallèlement avec les anciens standards WiMAX.

La norme IEEE 802.16 a été développée selon une architecture en couches au nombre de deux qui sont définies comme les couches PHY (physique) et MAC (Media Access Control) du modèle OSI (Open System Interface). La figure suivante illustre l’architecture de la norme IEEE 802.16.

Quelques fonctions incluant les données à transmettre dans les trames et le contrôle d'accès au milieu sans fil partagé sont associées avec le service à fournir aux abonnés. La couche de contrôle du moyen d'accès (MAC) située au-dessus de la couche physique, groupe les fonctions mentionnées.

La couche MAC originale est améliorée pour s'adapter aux caractéristiques multiples et aux services de la couche physique, s'adaptant aux contraintes des différents environnements. Elle est généralement conçue pour fonctionner avec les topologies de réseaux point à multipoint, avec une station de base pilotant simultanément des secteurs indépendants. Les algorithmes d'allocation d'accès et de bande passante doivent s'adapter à des centaines de terminaux par canal, qui peuvent être partagées par les multiples utilisateurs. Par conséquent, le protocole de la couche MAC définit comment et quand une station de base BS (Base Station) ou une station d'abonné SS (Subscriber Station) peut initialiser une transmission. Dans la liaison descendante DL (DownLink), il y a un émetteur seulement, et le protocole de la couche MAC de la norme 802.16-2004 emploie un mode TDM (Time Division Multiplexing) conçu pour multiplexer les données et qui est remplacé par une modulation OFDMA pour la variante la plus évoluée IEEE 802.16e. Dans la liaison montante UL (Up Link), de multiples stations d'abonnés (SS) se concurrencent pour accéder au milieu. Le protocole de la couche MAC 802.16-2004 applique la technique d'accès multiple par répartition dans le temps TDMA (Time Division Multiplexing Access), de ce fait il permet une utilisation efficace de la bande passante.

Dans le but de supporter une variété de services, telle que la voix, les données, la connectivité du protocole Internet IP (Internet Protocol) et l'IP audio VoIP (Voice over IP), la couche MAC doit adapter la vitesse de transmission des données aux besoins de chaque service. En plus, les mécanismes dans la couche MAC adaptent la qualité de service QoS (Quality of Service) selon les besoins des diverses applications. Les questions de gestion de l'efficacité de la couche transport sont également prises en compte, ainsi que des méthodes de modulation et de codage définies dans le profil des trames et s’ajustant de manière adaptative à chaque flux pour chaque station d'abonné pour rendre l'utilisation de la bande passante efficace avec garantie de débit maximum. Le mécanisme d'autorisation d'accès est conçu pour être graduel, efficace et auto adaptable, permettant au système la classification d'une centaine d'utilisateurs. Une autre caractéristique qui améliore la performance de transmission est le protocole automatique de correction ARQ (Automatic Retransmission Request). Pouvant supporter une topologie maillée, en plus de celle de point-à-multipoint, le WiMAX offre la possibilité de communiquer directement entre SS, augmentant de cette façon la robustesse du système. Ce standard permet aussi le contrôle automatique de la puissance émise et fournit des mécanismes de sécurité et de cryptage.

Elle diffère principalement de celle des générations WiMAX précédentes par la méthode d'accès radio utilisée : OFDMA au lieu de TDMA sur les voies montantes et descendantes, ce qui, grâce au multiplexage du signal sur des centaines de sous-porteuses, permet d’améliorer la robustesse de la transmission dans des conditions défavorables de propagation radio et d’augmenter les débits. Cette méthode d'accès permet aussi de partager la ressource radio entre les utilisateurs avec un granularité plus fine, grâce à l'utilisation simultanée des multiplexages fréquentiel et temporel.

Les caractéristiques de la couche physique changent en fonction de la fréquence. La norme 802.16-2004 spécifie cinq interfaces radio différentes. Une pour la bande 10-66 GHz où la transmission est de type LOS et quatre pour la bande 2-11 GHz où la transmission est de type NLOS.

Caractéristiques de la couche physique 802.16-2004

C’est dans cette configuration que les performances du WIMAX sont les meilleures. Cette fréquence requiert la propagation en LOS (Ligne de vue). La couche physique qui est utilisée est encore appelée «Wireless Man-SC». Elle supporte deux types de duplexage FDD (Frequency Division Duplexing) et TDD (Time Division Duplexing).

Les couches physiques pour ces fréquences sont adaptées à la propagation en NLOS dont il faudra ainsi prévoir la gestion du multitrajet. On distingue quatre types de couches physiques :

• Le Wireless MAN-SC: utilise la modulation SC (Single Carrier) comme technique de transmission. L’accès est fait par la technique TDMA et supporte les duplexages TDD et FDD.

• Le Wireless MAN-OFDM : utilise l’OFDM à 256 sous-porteuses comme technique de transmission. L’accès est fait par TDMA et supporte les duplexages TDD et FDD.

• Le Wireless MAN-OFDMA : utilise un multiplexage orthogonal à division de fréquence d’accès multiple OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) avec 2048 sous porteuses lui permettant de tolérer de multiples récepteurs. L’accès se fait par TDMA et supporte les duplexages TDD et FDD.

• Le Wireless HUMAN (High speed Unlicenced Metropolitan Area Network): la norme ne spécifie pas une technique de transmission propre, puisque n’importe quelle technique de transmission NLOS (SC, OFDM, OFDMA) peut être utilisée. Seul le duplexage TDD est autorisé. Grâce à ses performances, l’OFDM peut assurer l’immunité contre l’effet multi-trajets causé par la propagation NLOS, Wireless MAN OFDM est l’interface retenue par le « WIMAX Forum ».

• L’utilisation d'une modulation OFDM permet la transmission de signaux multiples en utilisant plusieurs sous-porteuses simultanément. Puisque la forme d'onde OFDM se compose de multiples porteuses orthogonales en bande étroite, l'évanouissement sélectif qui est généralement localisé sur un sous-ensemble des porteuses, est relativement facile à égaliser.

• La conception d'un mécanisme de modulation et de codage adaptatif qui dépend des états du canal et des interférences. Il ajuste la méthode de modulation presque instantanément pour un transfert de données optimum, d'où une utilisation efficace de la bande passante.

• Le support de 2 formats de duplexage temporel TDD et par division de fréquence FDD, permet au système d'être adapté aux réglementations de différents pays.

• La technique FEC est utilisée pour détecter et corriger les erreurs en vue d'améliorer le rendement. La mise en application de la méthode se fait avec un codeur de Reed-Solomon concaténé avec un codeur convolutif suivi d’un entrelaceur. Le turbo codage en bloc BTC (Block Turbo Coding) et le turbo codage convolutif CTC (Convolutional Turbo Coding) sont facultatifs.

• L’utilisation de bandes passantes de 1,25 à 20 MHz et de canaux flexibles fournit la flexibilité d'utilisation dans différentes bandes de fréquence avec une adaptation aux conditions de variabilité du canal.

• Un support facultatif de la diversité de transmission en réception pour augmenter la performance dans des environnements d'évanouissement par la diversité spatiale, permet au système d'en augmenter la capacité. L’implémentation du codage spatio-temporel (STC) en émission pour fournir l'indépendance de source réduit les marges d'évanouissement et d’interférence. Le récepteur emploie, la combinaison de la technique MRC (Maximum Ratio Combining) pour améliorer la disponibilité du système.

• La conception d'un mécanisme dynamique du choix de fréquence DFS (Dynamic Frequency Selection) pour réduire au minimum les interférences.

• Un support facultatif d'antennes intelligentes, dont les faisceaux peuvent orienter leurs lobes dans une direction particulière ou quelconque en s’orientant toujours vers les récepteurs, permet d’éviter des interférences entre canaux adjacents et d’augmenter la densité spectrale et le SNR. Il existe deux types d'antennes intelligentes, celles ayant des faisceaux multiples (antennes directionnelles) et celles ayant des systèmes adaptatifs ASS (Adaptive Antenna System). Le premier type utilise un nombre fixe de faisceaux, choisissant le plus approprié pour la transmission ou un faisceau en direction de l'antenne réceptrice visée. Le deuxième type fonctionne avec des antennes à plusieurs éléments avec un modèle de faisceau variable. Ces antennes sont une alternative intéressante pour les déploiements BWA (Broadband Wireless Access).

• La mise en œuvre de mesures de la qualité des canaux aidant au choix et à l'attribution des profils adaptatifs d'émission.

• deux formes de multiplexage : par division temporelle TDM et fréquentielle FDM (Frequency Division Multiplexing) en permettant l'interopérabilité entre les systèmes cellulaires fonctionnant avec le TDM et les systèmes WiMAX qui emploient le FDM.

Le WiMAX mobile (IEEE 802.16e) emploie les spécifications de la couche physique OFDMA avec une FFT (Fast Fourier Transform) à 2 048 points. Il fournit une zone de couverture de l'ordre de 1,6 à 5 kilomètres de rayon, avec des débits de transmission de l'ordre de 5 à 10 Mbit/s dans une bande passante de 5 MHz et, avec une vitesse maximum de mobilité d'un utilisateur inférieure à 100 km/h. Il présente les mêmes caractéristiques que le WiMAX fixe, déjà mentionnées. Le transfert intercellulaire est nécessaire pour permettre au MS (Mobile Station) de commuter d'une Base Station à une autre aux vitesses véhiculaires sans interrompre le raccordement.

Convergence potentielle dans les communications sans fil

On observe que la demande pour les accès sans fil aux réseaux informatiques croît rapidement pour les systèmes de communication mobiles. La demande importante de téléphonie mobile ainsi que l'utilisation du réseau Internet ont induit la naissance de réseaux radio de capacité élevée, ainsi le WiMAX peut être considéré comme faisant partie de la quatrième génération (4G) des systèmes de téléphonie cellulaire. L’accès à Internet et les applications multimédia deviennent un fait réel. La convergence des réseaux sans fil et cellulaires est illustrée ci-contre.

Les applications WLAN et de téléphonie mobile se sont largement développées pour offrir l'accès sans fil. Cependant, pour un accès mobile complet à large bande, les difficultés liées aux facteurs de : bande passante, zone de couverture et coûts d'infrastructure doivent être surmontées. Le Wi-Fi fournit un débit élevé sur de courtes distances pour un déplacement lent de l'utilisateur alors que l’UMTS a des caractéristiques inverses avec la contrainte d’un coût de déploiement élevé.

Les chapitres suivants donnent une comparaison entre WiMAX et trois de ses concurrents Wi-Fi, UMTS et LTE.

Le Wi-Fi ou Wireless LAN est le nom sur lequel le standard IEEE 802.11 a basé ses produits, à la fin des années 1990. Il inclut la spécification 802.11a, capable d’offrir des débits de 54 Mb/s fonctionnant dans la bande de fréquence des 5 GHz, les spécifications 802.11b, g et n, dans la bande de fréquence des 2,4 GHz qui fournissent aux utilisateurs des débits de 11 à 150 Mb/s et la nouvelle (2014) norme IEEE 802.11ac, dans la bande de fréquence des 5 GHz, offrant un débit théorique pouvant atteindre 1,3 Gbit/s[2].

La technologie Wi-Fi a généralement une zone de couverture de 20 à 50 m de rayon et jusqu'à une centaine de mètres en terrain libre, pour une bande passante fixée à 20 MHz par canal (80 MHz pour la nouvelle norme 802.11ac). Le WiMAX fournit l'accès sans fil pour les réseaux MAN de plus grande taille. Il a été conçu pour offrir des services « large bande » à ses utilisateurs, dans les zones métropolitaines et pour des surfaces couvertes plus étendues que le Wi-Fi. Ce système pourrait connecter des utilisateurs installés dans une zone de 50 kilomètres sous une visibilité directe par rapport à la station de base et de 1 à 7 kilomètres sans visibilité directe avec des débits de 70 à 240 Mb/s. Le WiMAX ne créant pas de conflit avec le WiFi, c'est une technologie complémentaire fournissant à prix réduit un hot-spot pouvant potentiellement remplacer le WiFi[3] ou permettre une prolongation sans fil sur le dernier kilomètre pour le câble et les infrastructures DSL (Digital Subscriber Line).

L’UMTS est identifié à la troisième génération des réseaux cellulaires normalisés par le 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Deux des bandes de fréquences autorisées sous licence, la bande de 1,885 à 1,980 GHz et celle de 2,110 à 2,170 GHz, emploient l'accès multiple à large bande par division de code WCDMA (Wide-band Code Division Multiple Access) comme méthode de modulation des porteuses et comme solution intégrée pour les données et la voix mobile, avec une large couverture géographique et avec des débits décroissants pour des vitesses de déplacement croissantes. Ce système permettait lors de son lancement au début des années 2000, des débits théoriques de l’ordre de 384 Kb/s dans des situations de mobilité pour atteindre les 2 Mb/s dans des environnements stationnaires et ce pour une largeur de canal de 5 MHz. Depuis, les technologies HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) et HSPA+ ont augmenté les performances de l'UMTS pour atteindre des débits théoriques de 42 Mb/s (en liaison descendante).

Parmi les normes de 4^e génération, le concurrent principal du WiMAX mobile est le LTE qui a été normalisé par l’organisme 3GPP en 2008/2009 (soit 2 à 3 ans après le Wimax 802.16e) et qui partage avec lui de nombreuses caractéristiques techniques, notamment l’utilisation sur la partie radio (RAN) du codage OFDMA.

Contrairement au WiMAX, les réseaux mobiles LTE bénéficient d’une compatibilité ascendante avec les réseaux cellulaires 2G et 3G normalisés précédemment par le 3GPP et qui dominent le marché mondial (6 milliards d'utilisateurs en 2014[4]), avec notamment l’utilisation des mêmes cartes SIM, ce qui permet aux fabricants de smartphones de concevoir plus facilement des terminaux compatibles GSM/UMTS/LTE que des terminaux mixtes 2G/3G/Wimax. Le handover (changement d’antenne) entre réseaux de génération différentes est également plus simple entre réseaux 3G existants et 4G LTE qu’avec un réseau Wimax dont le cœur de réseau et la méthode d'identification des abonnés sont différents.
La norme LTE est aussi plus performante que le WiMAX mobile car, plus récente, elle a pu bénéficier de progrès techniques tels la modulation SC-FDMA sur la liaison montante ; le SC-FDMA permet de diminuer la puissance crête (PAPR) et la consommation électrique des terminaux. Le LTE permet d’atteindre (en 2013/2014) un débit théorique crête de 150 Mbit/s versus de 30 à 46 Mbit/s pour les réseaux WiMax 802.16e existants[5].
En conséquence, le LTE domine depuis 2013 le marché des réseaux mobile 4G, chez les opérateurs (plus de 200 réseaux sont opérationnels début 2014[4]) et auprès des fabricants de terminaux mobiles (smartphones et tablettes).

Couverture WiMAX dans l'Orne (environ 5 000 km²). Les zones en vert sont couvertes, les zones blanches sont non couvertes.

Millenium Telecom via sa Marque commerciale Black est le premier opérateur WiMAX mobile en république centrafricaine[9]. Les équipements sont de marque AIRSPAN et l'intégration a été faite par l'entreprise canado-africaine Epicentre Group[10].

Le fournisseur d'accès américain Clearwire, proposait depuis 2006 des accès WiMAX dans plus de trente villes aux États-Unis jusqu'à son rachat par Sprint en 2013, ainsi que dans certaines villes au Danemark, en Irlande et en Belgique.

En juillet 2005, l'opérateur multimédia algérien Smart Link Communication, SLC Spa, lance le WiMax officiellement en Algérie et devient le premier fournisseur de cette technologie dans le Bassin méditerranéen. Les premiers essais avaient été effectués par la société à l'Université Mentouri Constantine, 5 ans auparavant, c'est-à-dire en 2000, et furent couronnés de succès. À cette époque, seuls les États-Unis maîtrisaient l'Internet sans fil.

Le 6 avril 2006, le fournisseur d'accès Internet français Free filiale de Iliad, annonçait la disponibilité imminente d'une offre WiMAX destinée au grand public. La distribution commerciale est confiée à IFW (Iliad Free WiMax anciennement Altitude SA), filiale de Iliad. Cette société détient une licence WiMAX valable sur l’ensemble du territoire national métropolitain, dans la bande de fréquences 3,5 GHz. Une application WiMAX devait alors apparaître dans l'offre de Free, sur le même principe que son offre Wi-Fi. En 2006, l'opérateur IFW exploitait la norme 802.16d mais l'évolutivité de son réseau offrait une compatibilité avec la norme 802.16e. Toutefois Neuf Cegetel attaque la licence d'IFW devant le Conseil d'État après qu'une demande similaire a été déboutée par l'Arcep. Le 30 juin 2006, le Conseil d'État rejette le recours de Neuf Cegetel, validant la décision de l'ARCEP en faveur d'Iliad.

Le 7 juillet 2006, l'ARCEP publie la liste des candidats retenus pour les licences régionales en France. Trois acteurs obtiennent des licences dans plus de dix régions : TDF (via sa filiale HDRR), Bolloré (via Bolloré Telecom) et Maxtel ; six conseils régionaux ou collectivités locales sont retenus, tandis que France Télécom n'obtient que deux licences en Outre-Mer et l'opérateur Clearwire aucune. ANTALIS-TV diffuseur technique de la TNT est contraint de quitter le consortium Bolloré Telecom dont il était actionnaire à hauteur de 2 000 euros, en raison de sa prise de contrôle par son principal concurrent : TDF, lequel est également concurrent de Bolloré Telecom à travers sa filiale HDRR.

Les sociétés HDRR et Motorola signent un accord pour implanter le WiMAX mobile 802.16e en France. De leur côté, plusieurs fabricants comme Lucent, Alvarion ou Cisco[11] ont arrêté, en 2010, leurs développements de produits conformes à la norme 802.16.

Entre juin 2007 et janvier 2008, le consortium Bolloré Telecom consulte des équipementiers WiMAX. Plusieurs sites pilotes sont réalisés et cette expérimentation permet à Bolloré Telecom d'évaluer les différentes technologies. Les sociétés Motorola, Alcatel-Lucent, Samsung et Huawei participent à cette opération. La première phase d'ouverture d'un réseau WiMAX mobile en France était initialement prévue pour juin 2008. Les opérateurs attendaient la fourniture d'équipements WiMAX aux dernières normes, avant de lancer le déploiement national. Le réseau national WiMax de Bolloré Telecom n'a jamais été ouvert commercialement.

Le groupe Iliad/Free/IFW détenteur de la seule licence nationale WiMAX, annonçait vouloir lancer la première offre nationale de France. En parallèle, ce FAI a obtenu la 4^e licence 3G le 17 décembre 2009[12], puis une licence 4G LTE.

En août 2008, l'opérateur privé Altitude Telecom annonce lancer une offre commerciale WiMAX destinée au grand public, sur certains départements français. Cette offre était disponible sous le nom WiBox et s'adresse également aux petites entreprises.

En janvier 2010, Bolloré Telecom rachète à Altitude Telecom deux licences WiMAX, l'une en Alsace, l'autre en Bourgogne, complétant ainsi son portefeuille de fréquences couvrant le territoire français. Initialement détentrice de douze licences régionales, la société avait racheté en juin 2008 à TDF ses licences pour huit régions[13].

En avril 2010, le fournisseur d'accès haut débit en zone blanche Vivéole[14] lance, en partenariat avec Axione, une offre Wimax sur les 3 départements du Limousin. En mai il est en Charente-Maritime, en juin en Nièvre et en Sarthe. En octobre, cette fois avec Altitude Infrastructure, Vivéole commercialise une offre Wimax Dual-Play (Internet + téléphonie illimités) dans l'Yonne, Saône-et-Loire et Côte-d'Or. En novembre, il ouvre ses offres en Ille-et-Vilaine, puis en décembre dans les Hautes-Pyrénées.

En 2011, à la suite d'un appel d'offres lancé par la Coopérative Pierre-de-Sorel au Québec, la société canadienne AceTechnology inc. vient désenclaver les régions agricoles en utilisant la technologie WiMAX, des précautions particulières ont été mises en place pour répondre aux fortes amplitudes thermiques entre l'hiver et l'été. La zone de couverture s'étend sur 1 000 km²[15].

Fin 2011, Axione fait monter ses réseaux WiMax à 10 Mbit/s en réception dans le Finistère et les Hautes-Pyrénées[16].

• IEEE 802.16
• IEEE 802.16e
• Wi-Fi
• LTE
• UMTS

• (fr) Fiche pédagogique sur le WiMAX sur le site Aménagement numérique des territoires du CETE de l'Ouest
• (fr) WiMAX, dossier Futura-Sciences.com
• (en) 802.16 à l'IEEE
• (en) WiMAX Day, La première source de nouvelles et d'informations sur WiMAX
• (en) WiMAX Technologie MIMO (en)