Le Wi-Fi utilise un spectre « sans licence », qui peut être utilisé par tout appareil ou réseau respectant les règles de transmission de la FCC. Ces dernières années, les fournisseurs de services cellulaires ont également commencé à utiliser ce spectre.
Des chercheurs de l'Université de Chicago constatent que la concurrence entre les réseaux diminue les performances.
Si le service devient lent lorsque vous essayez d'envoyer un e-mail rapide sur votre smartphone, vous pouvez faire défiler les options de votre réseau et découvrir le nombre de réseaux Wi-Fi. En fait, cette pléthore d'options est elle-même le problème. Ces réseaux sont en concurrence les uns avec les autres, limitant la vitesse à laquelle chacun peut fonctionner.
Des chercheurs de l'Université de Chicago ont démontré comment cette concurrence accrue des réseaux pourrait avoir un impact négatif sur le service Internet pour les utilisateurs quotidiens.
La concurrence entre les réseaux survient lorsqu'ils fonctionnent sur des bandes de fréquences partagées ou des gammes de fréquences pour les ondes électromagnétiques. En particulier, le Wi-Fi utilise un spectre « sans licence », ce qui signifie que tout appareil ou réseau peut utiliser ce spectre tant que certaines règles de transmission mandatées par la Federal Communications Commission (FCC) sont respectées.
« Le spectre sans licence est littéralement gratuit pour tous ; n'importe qui peut l'utiliser, dans les limites fixées par la FCC », a expliqué Monisha Ghosh, membre associé du Département d'informatique de l'Université de Chicago et professeur-chercheur à la Pritzker School of Molecular Engineering.
Le service de téléphonie cellulaire repose principalement sur une bande de spectres entièrement distincte, que les fournisseurs accordent sous licence à la FCC par le biais d'enchères de spectre, bien que cela ait changé avec la demande croissante de données cellulaires et de bandes passantes limitées.
Lorsqu'un fournisseur de services cellulaires, tel que T-Mobile ou AT&T, octroie une licence à une bande de spectre de la FCC, il en réserve l'usage exclusif. Par conséquent, les réseaux fonctionnant sur des bandes sous licence subissent peu d'interférences. Cela permet aux fournisseurs d'établir un service rapide et fiable, mais cela a un coût.
Les stations LAA comme celle-ci sur le campus UChicago permettent aux fournisseurs de services cellulaires d'accéder aux mêmes bandes de spectre partagées que celles utilisées pour le Wi-Fi. Crédit : photo avec l'aimable autorisation de Monisha Ghosh
"Au cours des cinq dernières années, le monde cellulaire a augmenté son nombre d'utilisateurs et la quantité de données dont ils ont besoin", a déclaré Ghosh. « Les fournisseurs de services cellulaires ont commencé à manquer de spectre et le spectre sous licence coûte des milliards. »
Pour améliorer la bande passante sans se ruiner, ces fournisseurs ont commencé à utiliser également le spectre sans licence via les réseaux cellulaires en utilisant un mode appelé accès assisté sous licence (LAA), qui fonctionne sur les mêmes bandes que celles utilisées pour le Wi-Fi. Le groupe de Ghosh a entrepris d'examiner comment cette utilisation partagée du spectre sans licence, appelée coexistence, avait un impact à la fois sur les utilisateurs Wi-Fi et cellulaires.
"Nous avons en fait trouvé une station LAA située sur le campus UChicago, sur un poteau devant la librairie, et dans cet espace extérieur, le Wi-Fi est également utilisé", a déclaré Ghosh. « Cela a fourni une plate-forme expérimentale dans notre jardin, nous avons donc commencé à prendre des mesures. »
Assis sur un banc à l'extérieur de la librairie, l'étudiant diplômé en informatique Muhammad Rochman et le chercheur postdoctoral Vanlin Sathya ont installé cinq ordinateurs portables et smartphones, et les ont utilisés pour accéder aux réseaux Wi-Fi locaux ou se connecter à LAA à l'aide de données cellulaires. Ils ont également accédé à différents types de données pour faire varier la demande sur ces réseaux, de faible (comme l'accès à du texte sur un site Web) à élevée (diffusion d'une vidéo). Chaque appareil était équipé d'applications permettant au groupe de mesurer la qualité de chaque connexion réseau.
En accédant à plusieurs réseaux simultanément, le groupe a découvert que la concurrence diminuait les performances, réduisant ainsi la quantité de données transmises, la vitesse de transmission et la qualité du signal.
« Si tout le monde commence à utiliser le spectre en même temps, cela crée des interférences et les informations de personne ne passent. »
- Professeur de recherche Monisha Ghosh
Cette concurrence a été particulièrement préjudiciable au Wi-Fi. Lorsque LAA était également utilisé activement, les données transmises par les utilisateurs Wi-Fi diminuaient jusqu'à 97 %. À l'inverse, les données LAA n'ont affiché une diminution de 35 % que lorsque le Wi-FI était également utilisé.
Ghosh a expliqué que l'incompatibilité entre le Wi-Fi et le LAA est due en partie aux différents protocoles que chacun utilise pour faire face au trafic Internet intense.
« Si tout le monde commence à utiliser le spectre en même temps, cela crée des interférences et les informations de personne ne passent », a déclaré Ghosh. "Mais le Wi-Fi et le cellulaire ont développé des mécanismes très différents pour traiter ce problème."
Étant donné que le Wi-Fi dépend exclusivement de spectres sans licence, il utilise un protocole adapté à une demande imprévisible. Ce protocole, appelé écouter avant de parler, imite les interactions d'un groupe de fêtards polis. Les participants écoutent et attendent un trou dans la conversation pour parler. Si deux personnes commencent à parler en même temps, l'une recule poliment pour laisser l'autre parler, puis sonne par la suite. De même, si plusieurs utilisateurs Wi-Fi tentent d'accéder au réseau à la fois, chacun se voit attribuer un bref temps d'attente, et le caractère aléatoire de ces temps d'attente réduit la probabilité de collision.
L'étudiant diplômé Muhammad Rochman utilise plusieurs appareils pour tester les performances des réseaux Wi-Fi locaux et de LAA. Crédit : photo avec l'aimable autorisation de Monisha Ghosh
En revanche, les fournisseurs de services cellulaires peuvent prédire la demande en fonction de l'accès cellulaire et ainsi attribuer à chaque utilisateur un temps de transmission spécifique. Ainsi, les utilisateurs de LAA ressemblent plus à des orateurs dans un colloque à horaire serré qu'à une fête informelle.
Cette différence de protocoles posait peu de problèmes lorsque les fournisseurs de services cellulaires étaient limités aux spectres sous licence, mais comme ils sont passés aux spectres sans licence, les paramètres d'accès aux canaux utilisés par LAA rendent difficile pour les utilisateurs Wi-Fi d'avoir un accès égal au support. Malgré le fait que LAA ait récemment modifié l'ordonnancement serré utilisé dans les bandes cellulaires pour mettre en œuvre l'écoute avant la conversation, il fonctionne toujours avec des paramètres différents. Une différence cruciale est la durée pendant laquelle chaque système conserve le support une fois qu'il y a accès : LAA peut transmettre jusqu'à 10 millisecondes, tandis que les transmissions Wi-Fi ne durent que 4 millisecondes.
La concurrence dans le spectre partagé se produit non seulement entre les fournisseurs Wi-Fi et cellulaires, mais également au sein de chaque type de réseau.
« Dans nos expériences, nous comparons la coexistence Wi-Fi/Wi-Fi avec la coexistence Wi-Fi/LAA », a déclaré Ghosh. « La coexistence Wi-Fi/Wi-Fi n'est pas trop mauvaise en raison de la procédure d'écoute avant de parler, nous l'avons donc utilisée comme norme d'équité. Mais le Wi-Fi/LAA se comporte moins bien, et nous avons été surpris de voir à quel point c'est pire.
Dans de futures études, elle espère également examiner comment les réseaux LAA fournis par différents fournisseurs de services cellulaires se font concurrence.
De plus, Ghosh a conseillé les agences de réglementation sur la manière de mieux aligner les protocoles réseau sur la base de ses recherches.
« Ces changements se sont traduits par une meilleure coexistence et de meilleurs mécanismes de partage. Mais il y a encore un long chemin à parcourir », a-t-elle déclaré.
Référence : « Hidden-nodes in coexisting LAA & Wi-Fi: a Measurement study of real Deployments » par Vanlin Sathya, Muhammad Iqbal Rochman et Monisha Ghosh.
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La recherche a été présentée le 18 juin 2021 lors de l'atelier sur le partage du spectre de la Conférence internationale de l'IEEE sur les communications (ICC 2021).
