Wi-Fi de nouvelle générationÉvolution, avancées et enjeux de déploiement

Livre blanc January 2017

Notre situation actuelle et notre destination

La prolifération mondiale des appareils sans fil augmente la consommation de données à un rythme impressionnant. Comme les comités de normalisation de l’industrie doivent enchaîner les mises à niveau pour accélérer les débits de transmission, les propriétaires d’infrastructure se retrouvent face à de multiples options et doivent choisir la méthode d’application la mieux adaptée à leur situation. De nouveaux développements de la norme BASE-T, combinés à Power over Ethernet, ajouteront encore des demandes supplémentaires sur l’infrastructure cuivre qui supporte les points d’accès sans fil. Pour réussir à franchir les étapes suivantes et se mettre dans la meilleure position pour déployer les prochaines générations Wi-Fi, les propriétaires doivent examiner ces options avec le plus grand soin. Déployer une infrastructure de câblage robuste aujourd’hui, basée sur des composants de Catégorie 6A ou plus, apportera de nombreux bénéfices à l’avenir, à travers des interruptions minimisés et une flexibilité accrue pour la prochaine génération de Wi-Fi.

Une croissance rapide conduit à des progrès rapides

La consommation sans fil poursuit sa courbe de croissance rapide. L’évolution et l’adoption des nouvelles technologies entraînent une élévation exponentielle des attentes et des contraintes sur l’infrastructure Wi-Fi. Cisco a récemment mis à jour (2016) son rapport Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update, qui prévoit l’explosion des données mobiles entre 2015 et 2020. Il annonce une forte augmentation de la consommation de données sans fil et de la bande passante Wi-Fi. En 2015, pour la première fois, le téléchargement effectué par les équipements mobiles a été plus élevé sur Wi-Fi que sur le reste du réseau cellulaire. Selon les projections des cinq prochaines années, les smartphones multiplieront près de cinq fois le trafic réseau mondial, faisant passer le trafic mensuel de 929 MO en 2015 à 4,4 GO en 2020. Cette augmentation sera en grande partie due à la consommation vidéo, qui représentait 55 % de la consommation totale de données en 2015 et devrait atteindre 75 % du total des données d’ici à 2020. La consommation vidéo tend à être concentrée sur des heures de grande affluence, contrairement à l’utilisation plus traditionnelle de l’Internet, ce qui entraînera des différences importantes entre les pics de charges et le trafic moyen. Alors qu’en 2015, les pics de charge dans le monde étaient 66 % plus élevés que la moyenne, en 2020 la différence devrait atteindre 88 %. Cette croissance prévue des pics et moyennes de consommation génèrera des efforts encore plus importants sur les infrastructures Wi-Fi. Dans le même temps, les utilisateurs attentent de plus en plus des déploiements Wi-Fi. L’augmentation de la vitesse et de la capacité vise en premier lieu à assurer un niveau de service acceptable aux clients, procurant la bande passante requise pour les applications grosses consommatrices de données, garantissant un signal fort pour optimiser les débits, et mettant en service un nombre toujours plus élevé d’équipements

IEEE 802.11ac soutient l’expansion de Base-T

En 2014, un seul drop 1000BASE-T suffisait à répondre aux exigences de liaison de la plupart des points d’accès sans fil. Un point d’accès sans fil (WAP) IEEE 802.11n est limité à un maximum théorique de 600 MBps, soit bien en-dessous de la capacité de 1000BASE-T. Les concepteurs utilisaient des WAP 802.11n spécifiques, avec de multiples ports 1000BASE-T, uniquement dans des environnements de client haute densité qui nécessitaient des données et de l’alimentation pour plusieurs antennes sur une même plateforme. Mais des densités qui étaient considérés extraordinaires avant 2014 sont devenues typiques de l’environnement sans fil d’aujourd’hui. Pour répondre à l’augmentation de la demande, la norme IEEE 802.11ac a été développée pour augmenter la bande passante disponible pour chaque équipement sans fil. Publiés par vagues, les premiers déploiements de 802.11ac pouvaient encore être satisfaits par un drop 1000BASE-T, car la capacité d’agrégation maximum des points d’accès était d’environ 850 Mbps. Toutefois, les générations suivantes ont vu ce nombre augmenter à plus de 1 GBps, dans l’espoir d’atteindre un maximum potentiel de 6,9 Gbps avec huit antennes WAP. Cette augmentation d’agrégation de débit alimente le besoin d’une capacité de liaison cuivre supérieure à 1 Gbps, besoin auquel l’IEEE 802.3, propriétaire de la technologie BASE-T, s’empresse de répondre. Toutefois, d’autres développements technologiques en cours apporteront encore des charges supplémentaires sur l’infrastructure.

Les prochaines générations en veulent plus

Par l’air et le cuivre

En anticipant la croissance continue du marché sans fil, le développement IEEE 802.11ax a pour but de délivrer plus de vitesse, de flexibilité et capacité aux réseaux sans fil. Plusieurs objectifs ont été définis par le groupe de travail mais la priorité est d’atteindre un débit moyen multiplié par 4 par rapport à 802.11ac. Cet objectif sera atteint en améliorant le rendement spectral. Plutôt que d’utiliser de nouvelles fréquences, le groupe de travail veut améliorer le codage et délivrer plus de bits par Hertz. Il est possible d’augmenter le débit à un client en augmentant la puissance du signal reçu. Toutefois, en raison des limitations de puissance du signal de diffusion imposées à l’équipement, il ne suffit pas de “tourner le bouton du volume” pour augmenter la puissance d’un signal à un client. Cela passera probablement par l’augmentation de la densité des points d’accès. Plusieurs questions sont actuellement en cours d’étude, notamment :

1. Densité des points d’accès : optimiser la performance et minimiser l’interférence en environnements à haute densité de WAP (par ex. entre 10 et 20 m)

2. Densité de client : L’efficacité des transitions entre clients desservis devient plus importante car le nombre d’équipements en attente d’émission et de réception de données continue d’augmenter.

3. Effets Doppler : Les clients mobiles se déplaceront probablement dans la couverture du point d’accès, entraînant des changements de fréquence dans les signaux émis et reçus. Un piéton se déplace à environ 4 km/h mais des véhicules plus rapides entraîneront des changements de fréquence plus importants du fait de l’éloignement physique du client ou des rayonnements depuis leurs surfaces.

4. Diversité : Les appareils n’auront pas tous besoin de recevoir une grande capacité de transmission sans fil. Des appareils bas débit devraient proliférer et leurs rapports de statut périodique devront s’intercaler efficacement avec des clients exigeant une réponse rapide et une bande passante élevée.

Des redéfinitions de normes existantes devraient également déboucher sur de nouvelles applications et cas d’usage. IEEE 802.11az utilisera et améliorera les technologies existantes dans 802.11n, 802.11ac et 802.11ad, en permettant de déterminer la position d’un client à moins de 2 mètres. (Voir la Figure 1 qui récapitule les normes 802.11.) Pour l’essentiel, cela permettra des capacités de positionnement ultra-précis dans un bâtiment, avec différents cas d’usage, comme :

1. Suivi d’actif dans des secteurs comme les établissements médicaux où la capacité de localiser rapidement et précisément un équipement peut devenir vitale.

2. Présentation de données personnalisées, comme un guidage dans un bâtiment public jusqu’à un service ou un bureau, ou des publicités vidéo sélectionnée à des objets connectés portables, comme des lunettes et montres connectés, sur la base de la position et de la direction du regard du client.

3. Placement ou affichage optimal de produit dans un environnement de magasin par l’analyse de trajectoires des clients.

4. Système audio de domicile qui suit l’utilisateur final en activant ou désactivant des haut-parleurs localisés, tandis que l’utilisateur final se déplace dans son domicile.

La prolifération des nouvelles technologies

2.5 et 5GBase-T : L’impact de la diaphonie exogène

L’explosion de la consommation de bande passante sans fil a fait passer les débits du réseau de collecte au point d’accès à plus de 1 Gbps. Aujourd’hui, une solution comprenant du silicium 10GBASE-T avec une capacité de 400 MHz et Power over Ethernet (PoE) pour alimenter le point d’accès serait trop coûteuse pour un déploiement rapide sur le marché. Une solution possible consisterait à déployer de multiples câbles 1000GBASE-T. Mais pour cela, il faudrait que le point d’accès et le switch incluent un port RJ-45 pour chaque gigabit de capacité. À un débit de 5 Gbps ou plus, on comprend rapidement le gain de place et de facilité de gestion d’une solution RJ-45 unique par rapport à de multiple ports.

Une solution plus acceptable sur le marché consiste à déployer un niveau intermédiaire qui réutilise l’encodage 10GBASE-T existant pour permettre une solution à jack unique, tout en utilisant les avantages de simplicité et rentabilité de PoE. 2.5GBASE-T et 5GBASE-T utilisent ce principe pour augmenter la capacité du réseau de collecte, mais le déploiement de ces nouveaux débits intermédiaires pourrait ne pas être aussi simple que prévu.

Les organismes de normalisation sont très tentés de permettre à 2.5GBASE-T et 5GBASE-T de fonctionner sur les systèmes de câblage existants. Toutefois, la diaphonie exogène s’avère être un facteur restrictif dans la portée d’un channel de Catégorie 5e et Catégorie 6, car elle n’a jamais été spécifiée pour ces catégories.

Le TEK Center de Nexans a réalisé des tests sur des systèmes de câblage de différents niveaux, afin de comprendre l’impact de la diaphonie exogène sur les performances des câbles et systèmes, regroupés en faisceaux. Les résultats montrent clairement que la diaphonie exogène joue un rôle significatif dans la limitation de la portée quand le système de câblage utilisé n’a pas été conçu pour atténuer la diaphonie exogène (Catégorie 6 et 5e).

Alors qu’un système de câblage supporte plus ou moins le 2,5GBASE-T selon son type de conception, les résultats étaient considérablement plus serrés en 5GBASE-T, car la probabilité de corruption de données à la diaphonie exogène est plus forte à des débits accrus. Il est possible que l’on puisse étendre la portée de canaux Catégorie 5e et Catégorie 6 en éliminant les faisceaux. Dans la pratique, l’isolation physique d’un channel par rapport à ses voisins n’est cependant pas toujours possible ou permet seulement de produire des améliorations qui suffisent à atteindre un nombre limité d’équipements ou points d’accès supplémentaires. Il est recommandé d’utiliser des concepts Catégorie 6 FTP au minimum pour supporter jusqu’au 5GBASE-T.

2017 2018 ≈ 2020

Antennes Pics de débits de transmission de données aux points d’accès (maximum théorique)

1x1 150 Mb/s 866 Mb/s ≈ 3,4 Gb/s

2x2 300 Mb/s 1.7 Gb/s ≈ 6,8 Gb/s

4x4 450 Mb/s 3.4 Gb/s ≈ 13,6 Gb/s

8x8 600 Mb/s 6.9 Gb/s ≈ 27,6 Gb/s

Portée ~ 70 m ~ 35 m ~ 10 - 20 m

802.11n 802.11ac 802.11ax

On anticipe que la plupart des nouvelles applications seront basées sur ces normes sans fil en cours de développement. Face au souhait d’offrir autant de nouvelles fonctions que possible dans l’architecture de déploiement existante, certaines de ces optimisations de technologie devront réduire la couverture des WAP à des zones qui se limiteront peut-être à 100 m2. Toutefois, l’ajout de nouvelles fonctions conduira à une augmentation de consommation de données, ce qui augmentera encore le besoin de déploiement rapide et aisé d’une technologie rentable.

Figure 1: Récapitulatif des normes réseau IEEE 802.11

Toutefois la performance de diaphonie exogène et la marge de portée étendue de la Catégorie 6A en font la meilleure solution pour un déploiement sans fil. Contrairement aux Catégorie 6 et 5e, dont la performance de diaphonie exogène n’a pas été spécifiée, la Catégorie 6A offre des marges étendues pour assurer un fonctionnement du système et l’intégrité des données sur 100 m, quel que soit le débit de channels adjacents.

Power over Ethernet et élévation de chaleur

Power over Ethernet (PoE) est une méthode pratique pour alimenter des équipements distants, comme des WAP, via les câbles de communication. Comme les équipements deviennent de plus en plus sophistiqués et les applications toujours plus complexes, la consommation d’énergie augmente. Le groupe IEEE 802.3bt normalise une alimentation de 100 W maximum (1 A par paire). Plus d’alimentation transmise impliquera une génération de chaleur accrue dans l’infrastructure de câblage. Nexans a réalisé une étude pour caractériser l’élévation de chaleur à l’intérieur d’un faisceau – voir figure 2

Figure 2: Relation entre le nombre de câbles dans un faisceau fonctionnant sous PoE+ et l’élévation de température

Le TEK Center a ensuite prolongé ces études sur la chaleur pour comprendre l’impact sur des channels à quatre connecteurs 2,5BASE-T et 5GBASE-T utilisés pour desservir des équipements comme des WAP. Les tests ont révélé que des channels de Catégorie 5e et Catégorie 6 perdaient 4 à 5 m de portée à 75° C en comparaison à un fonctionnement à une température ambiante de 20° C. Les channels Catégorie 6A ont eux aussi démontré une réduction proportionnelle de la portée système ; toutefois du fait de la marge supérieure inhérente à cette conception, le système continuerait à fonctionner à 100 m. Cette réduction de longueur est importante car l’essentiel de la validation d’infrastructure est réalisée quand le réseau est coupé et qu’il ne fonctionne pas dans les conditions du pire scénario.

Une atténuation réalisée selon la norme TIA TSB-5021 peut ne pas suffire car elle ne tient pas compte de la température dans le calcul des marges système. Quand le système déployé est opérationnel et alimenté, une augmentation de la température du faisceau due à une élévation de la température ambiante et/ou une génération de chaleur dans le câble peut entraîner la panne de channels Catégorie 5e et Catégorie 6 atténués. Le résultat est que l’utilisateur final devra atténuer encore le channel provoquant plus d’interruption et de perturbation du site. L’utilisation d’un système de câblage Catégorie 6A en standard minimum évitera ce problème et procurera une marge suffisante pour supporter l’élévation de températures, en délivrant des données sous la contrainte de débits accrus, diaphonie exogène et températures élevées.

1.00

4.00

2.00

3.00

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6.00

7.00

8.00

9.00

0.00

10.00

Cat5e U/UTP

Cat6 F/UTP

Cat5e F/UTP

Cat7 S/FTP

Cat7A S/FTP

1 7 19 37 61 91 127 169

Nb of cables in the bundle

Tem

pera

ture

incr

ease

(°C

)

PoE+ (2 pairs energised - 0.35A per wire)

Nbre de câbles dans le faisceau

Aug

men

tatio

n de

tem

péra

ture

(°C

)

Conclusions et recommandations

Recommandations pour les câbles et infrastructures

L’augmentation permanente de la consommation des données sans fil a poussé l’industrie à développer d’autres méthodes pour augmenter la capacité. Bien qu’il soit possible que ces technologies fonctionnent sur des infrastructures existantes, des modifications à l’infrastructure sans fil Catégorie 5e ou Catégorie 6 existante seront certainement requises, soit sous la forme d’une atténuation pour améliorer la performance électrique, soit d’un nombre accru de drops pour augmenter la capacité. L’amélioration de la capacité réseau, la performance de diaphonie exogène, la résistance à la génération de chaleur de PoE et la marge de portée étendue du câblage Catégorie 6A et 7A, en font le choix idéal pour des déploiements sans fil

Le cas du câblage de zone

La norme 11801-6 ISO/IEC et la norme européenne 50173-6 – Systèmes de câblage générique pour des services distribués dans les bâtiments - vont être revues, pour donner des directions au câblage en anticipation de l’essor des déploiements sans fil et du nombre accru d’équipements et capteurs basés sur IP. IEEE 802.11ac a reçu un cadre spécifique en sélectionnant une taille de cellule maximum de 325 m2 et en suggérant une configuration en drop centralisée (voir Figure 3, Option 1). Cependant, Nexans a toujours recommandé deux drops de Catégorie 6A pour qu’une densité de WAP supplémentaire puisse être ajoutée avec une perturbation minimale. On anticipe que les futurs déploiements de technologie sans fil nécessiteront certainement une densité accrue de WAP, donc le câblage de zone basé sur un système Catégorie 6A doit également être considéré comme une option. Le câblage de zone (voir Figure 3, Option 2) consiste à distribuer plusieurs câbles jusqu’à un point centralisé afin de délivrer de la capacité supplémentaire, qui peut être utilisée sous la forme de

1. Agrégation WAP : Plusieurs câbles drops sont utilisés pour un même WAP. 2. PoE accrue : Dans le cas de WAP de grande taille, la distribution d’alimentation peut être plus efficace quand

plus de paires cuivre sont utilisées. 3. Densité WAP accrue : Le déploiement de plus de WAP dans la cellule pour diminuer la zone de couverture par

WAP.

Tandis que certains de ces nouveaux cas d’usage et applications sans fil devraient fonctionner dans la densité WAP actuelle spécifiée dans 802.11ac, de nombreuses applications qui utilisent des fonctions de positionnement bénéficieront d’une densité WAP accrue. Déployer une infrastructure de câblage de zone robuste aujourd’hui, basée sur des composants de Catégorie 6A ou plus, tels que les solutions LANmark-6A ou 7A de Nexans, apportera de nombreux bénéfices à l’avenir, à travers des interruptions minimisés et une flexibilité accrue pour la prochaine génération de points d’accès.

Figure 3: Exemples de conceptions de câblage de zone typique

Option 1

Nexans recommande au moins deux câbles Catégorie 6A vers chaque WAP. Cela permet à l’utilisateur final de changer de WAP selon ses besoins, sans avoir à remplacer complètement l’infrastructure réseau. De plus, si un autre WAP s’avère nécessaire pour apporter la couverture et la bande passante requises, la transition est beaucoup plus simple.

Option 2

Face aux changements rapides et à l’explosion de la technologie sans fil, Berk-Tek recommande à présent de doubler le nombre de câbles, à savoir d’en utiliser quatre. Avec les normes 802.11ax et az en cours de développement, deux WAP peuvent ne pas être suffisants si le coût total d’acquisition est la priorité. Avec l’augmentation des débits de bande passante, la portée de chaque WAP va diminuer et de ce fait, plus de WAP vont être nécessaires pour délivrer un service satisfaisant sur la même distance de couverture. De plus, avec les fonctions de positionnement et localisation en Wi-Fi de demain, la densité de WAP devra augmenter sensiblement pour déployer l’étendue de leur potentiel.

Option 1 Option 2

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