Débit, portée : les limites du Wifi et leurs causes

Dans le domaine du Wifi, chaque nouvelle norme promet des gains de performances spectaculaires. Mais les lois de la physique et les réglementations en matière de puissance, qui limitent la portée du signal radio, sont incontournables.

La portée effective (ou couverture) de tout signal émis est déterminée par plusieurs facteurs clés qui influencent la puissance de sortie ou la capacité à recevoir des signaux. Ces facteurs sont la fréquence du signal, la puissance de sortie et les performances de l’antenne. Ces dernières dépendent de sa conception et de ses caractéristiques techniques, dont son ouverture.

Les fréquences. Les réseaux Wifi actuels basés sur la norme 802.11 fonctionnent dans les bandes 2,4 GHz et 5 GHz pour le Wifi 6, et dans les bandes 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz pour les Wifi 6E et 7. Plus la bande de fréquence est élevée, plus la portée et la capacité du signal à traverser des objets sont réduites. Et, ce, à puissance d'émission égale.

On a coutume de dire que la bande de fréquences en 2,4 GHz permet de télécharger ses e-mails à pleine vitesse à 50 mètres de la borne, alors que la bande de fréquences en 5 GHz autorise les visioconférences à 15 mètres de celle-ci.

La puissance. En Occident, toutes les bandes Wifi ainsi que les canaux au sein de ces bandes sont réglementés. Dans la bande des 2,4 GHz, celle qui a a priori la portée la plus longue, la puissance du signal généré dans la borne, en amont de l’antenne, peut atteindre 1 watt, mais elle est plus généralement de 0,1 watt (100 milliwatts), voire moins, au niveau du signal émis par l’antenne.

La situation est plus nuancée dans la bande des 5 GHz, qui dépend de la sous-bande de fréquences utilisée selon l’usage. Lorsque la borne émet en intérieur uniquement, c’est-à-dire sur la bande de fréquences comprise entre 5,15 et 5,35 GHz, la puissance du signal émis par l’antenne est inférieure à 0,2 watt. C’est uniquement quand la borne s’utilise en extérieur, sur la bande de fréquences comprise entre 5,47 et 5,725 GHz, que la puissance du signal émis par l’antenne peut grimper jusqu’à 1 watt. Cette croissance de la puissance qui va de pair avec la croissance des fréquences utilisées est censée compenser la réduction de la portée causée par des fréquences plus élevées.

En ce qui concerne la bande de fréquence des 6 GHz, apparue sur les bornes Wifi 6E et 7, c’est encore plus compliqué. De 5,945 à 6,425 GHz, la puissance autorisée est limitée au même 0,2 watt qu’en 5 GHz pour une utilisation en intérieur, alors que la portée est inférieure. Son utilisation en extérieur est autorisée, mais uniquement à la condition de ne pas dépasser 0,025 watt (25 milliwatts) pour ne pas perturber d’autres systèmes radio publics.

L’ouverture de l’antenne. Les antennes sont généralement omnidirectionnelles ou conçues avec un certain degré d’ouverture dans une direction. Les antennes directionnelles permettent de modeler le signal disponible, en l’envoyant plus loin dans une direction donnée. L’image est celle d’un pétale de fleur : quand une borne Wifi est dotée de plusieurs antennes omnidirectionnelles, l’émission de ses signaux s’apparente à plusieurs pétales qui partent chacun de la borne dans une direction différente.

Une antenne précisément directionnelle offrira une plus grande portée dans une direction donnée, au détriment d’une portée réduite dans toutes les autres directions.

À mesure que la fréquence augmente, la portée effective à un niveau de puissance donné diminue lorsque l'on utilise des antennes classiques. Ce principe ne se limite pas au Wifi et s'applique à toutes les technologies radio.

La largeur de canal influence également la portée effective. Les canaux plus larges répartissent la puissance émise sur toute leur largeur et nécessitent un rapport signal/bruit (SNR) plus élevé. Chaque nouvelle norme s’accompagne de canaux encore plus larges. Mais les spécifications actuelles prennent en charge des largeurs de canal qui ne sont pas réalisables dans la pratique.