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Wi-Fi vs Bluetooth vs LPWA : portée, vitesse de transmission, consommation, fréquences, usages

Tous trois relient des appareils par radio, mais ils arbitrent différemment entre portée, débit et consommation. Le Wi-Fi est le réseau local sans fil IEEE 802.11 qui relie PC et smartphones à Internet à haut débit. Le Bluetooth relie directement écouteurs, claviers, objets portables et appareils similaires sur de courtes distances, de quelques mètres à quelques dizaines de mètres, et sa variante basse consommation, le BLE (Bluetooth Low Energy), sert aussi dans des capteurs alimentés par une pile bouton. LPWA est le terme générique désignant les réseaux IoT qui renoncent au débit pour atteindre des distances de plusieurs kilomètres ou plus avec une autonomie de plusieurs années.

CritèreWi-FiBluetoothLPWA
NormesIEEE 802.11 (certification par la Wi-Fi Alliance)Spécifié par le Bluetooth SIG ; comprend le BR/EDR classique et le BLE (Bluetooth Low Energy) basse consommationUn terme générique : LoRaWAN et d’autres dans les bandes libres de licence, LTE-M, NB-IoT et d’autres dans les bandes cellulaires
Bandes de fréquencesBandes de 2,4 GHz et de 5 GHz (aussi 6 GHz à partir du Wi-Fi 6E)Bande de 2,4 GHzSurtout des bandes sub-GHz (920 MHz au Japon) ou des bandes cellulaires
Portée typiqueQuelques dizaines de mètres en intérieurDe quelques mètres à quelques dizaines de mètres (plus de 100 m avec certains niveaux de puissance et modes)De quelques kilomètres à plus de dix kilomètres (selon la visibilité directe et l’environnement)
Débit typiqueDe quelques dizaines de Mbit/s à plusieurs Gbit/s (selon la génération et les conditions)Jusqu’à 1 à 2 Mbit/s en BLE (le débit utile est inférieur) ; jusqu’à 3 Mbit/s en BR/EDRDe quelques centaines de bit/s à quelques centaines de kbit/s (jusqu’à environ 1 Mbit/s en LTE-M)
ConsommationÉlevée ; adapté aux appareils sur secteur ou rechargés souventModérée en BR/EDR ; le BLE communique brièvement puis se met en veille, si bien que certains appareils fonctionnent des mois, voire des années, sur une pile boutonTrès faible ; avec peu de données à envoyer, plusieurs années à environ 10 ans sur une pile sont courants
TopologieÉtoile autour d’un point d’accès, lui-même relié au réseau local et à InternetLiaisons directes un à un ou un à plusieurs avec un smartphone ou équivalent ; aussi balises par annonces (advertising), et maillageÉtoile des appareils vers des stations de base (passerelles) ; petites quantités de données, surtout des appareils vers le cloud
Utilisation du canal radioSurtout OFDM (plus OFDMA à partir du Wi-Fi 6) et MIMO ; CSMA/CA coordonne les émissions, et RTS/CTS traite les stations cachéesSaut de fréquence (79 canaux de 1 MHz en BR/EDR, 40 canaux de 2 MHz en BLE)Abaisse le débit pour que des signaux proches du niveau de bruit puissent encore être reçus (étalement de spectre chirp de LoRa, modulation à bande étroite, etc.)
Licences et serviceAucune licence ; on installe son propre point d’accèsAucune licence ; les appareils se connectent directementLoRaWAN et similaires ne demandent pas de licence et l’on peut installer sa propre passerelle ; LTE-M et NB-IoT utilisent le réseau d’un opérateur dans le cadre d’un abonnement
Usages typiquesAccès à Internet des PC et smartphones, streaming vidéo, mise en réseau d’appareils et de camérasÉcouteurs sans fil, claviers et souris, montres connectées, balises, appareils de santéRelevé des compteurs d’électricité, de gaz et d’eau, capteurs dans les exploitations agricoles et sur les équipements, suivi des biens

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Wi-Fi
Lorsque de grandes quantités de données doivent être envoyées rapidement ou que des appareils doivent se connecter directement à Internet. Il convient aux appareils sur secteur ou rechargés.
Bluetooth
Pour connecter des périphériques juste à côté d’un smartphone ou d’un PC. Pour les capteurs et objets portables qui doivent fonctionner longtemps sur pile, on utilise le BLE.
LPWA
Lorsque de petites quantités de données doivent être envoyées loin, depuis des lieux sans alimentation, sur pile pendant des années. Il ne convient pas à la commande en temps réel ni à l’envoi d’images et de vidéos.

Questions fréquentes

Le Wi-Fi et le Bluetooth se brouillent-ils dans la bande de 2,4 GHz ?

Ils partagent la bande de 2,4 GHz et peuvent donc se brouiller. Le Bluetooth en réduit l’effet par le saut de fréquence, en changeant constamment de fréquence, et par le saut de fréquence adaptatif, qui évite les canaux occupés. Utiliser le Wi-Fi dans la bande de 5 GHz évite l’encombrement de la bande de 2,4 GHz. Les fours à micro-ondes émettent aussi dans la bande de 2,4 GHz, si bien que les communications peuvent être perturbées à proximité.

Pourquoi le LPWA porte-t-il si loin avec si peu de puissance ?

Il abaisse fortement le débit pour augmenter l’énergie par bit et réduit la bande passante de réception pour limiter le bruit, si bien que des signaux faibles peuvent encore être reçus. De plus, une bande sub-GHz comme celle de 920 MHz au Japon présente, à gain d’antenne égal, environ 8 dB d’affaiblissement en espace libre de moins que la bande de 2,4 GHz, et contourne plus facilement les bâtiments par diffraction. La consommation est faible parce que les appareils envoient peu de données et sont en veille presque tout le temps.

En quoi le BLE diffère-t-il du Bluetooth classique ?

Le BLE réduit la consommation en gardant des communications très courtes et en coupant les circuits le reste du temps, ce qui convient aux capteurs et aux balises qui envoient de petites quantités de données par intermittence. Le Bluetooth classique (BR/EDR) sert aux flux continus comme l’audio. Tous deux utilisent la bande de 2,4 GHz, mais leurs protocoles diffèrent, si bien qu’ils ne peuvent pas communiquer directement entre eux (certains appareils prennent en charge les deux).

Comment les noms des normes Wi-Fi correspondent-ils aux noms de génération ?

IEEE 802.11n s’appelle Wi-Fi 4, 802.11ac Wi-Fi 5 et 802.11ax Wi-Fi 6 ; le 802.11ax étendu à la bande de 6 GHz est le Wi-Fi 6E. Le 802.11ac n’utilise que la bande de 5 GHz, tandis que le 802.11n et le 802.11ax utilisent les bandes de 2,4 GHz et de 5 GHz.

Vérifier vos connaissances

Les antennes d'émission et de réception ont un gain de 0 dBi. Quelle valeur est la plus proche de l'affaiblissement en espace libre subi par une onde radio de 2,4 GHz (longueur d'onde 0,125 m) qui parcourt 100 m en espace libre ?

  1. A40 dB
  2. B60 dB
  3. C80 dB
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Réponse : C. 80 dB

L'affaiblissement en espace libre est la proportion dont la puissance diminue entre deux antennes isotropes en se répartissant sur une sphère qui grandit avec la distance ; il vaut L = (4πd/λ)². Avec d = 100 m et λ = 0,125 m, 4πd/λ ≈ 1,0×10⁴, donc L = 20·log₁₀(1,0×10⁴) ≈ 80 dB. En dB, l'affaiblissement augmente d'environ 6 dB chaque fois que la distance double et de 20 dB chaque fois qu'elle est multipliée par 10. Selon cette formule, à distance égale, l'affaiblissement est d'autant plus grand que la fréquence est élevée (longueur d'onde courte).

Quelle(s) bande(s) de fréquences utilise un réseau local sans fil IEEE 802.11ac (Wi-Fi 5) ?

  1. AUniquement la bande des 2,4 GHz
  2. BÀ la fois la bande des 2,4 GHz et celle des 5 GHz
  3. CUniquement la bande des 5 GHz
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Réponse : C. Uniquement la bande des 5 GHz

Chaque norme IEEE 802.11 définit les bandes de fréquences qu'elle utilise. L'IEEE 802.11b et l'IEEE 802.11g utilisent la bande des 2,4 GHz, l'IEEE 802.11a et l'IEEE 802.11ac la bande des 5 GHz, et l'IEEE 802.11n (Wi-Fi 4) et l'IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) les bandes des 2,4 GHz et des 5 GHz. L'extension de l'IEEE 802.11ax à la bande des 6 GHz s'appelle Wi-Fi 6E. Même sur un point d'accès compatible avec les bandes des 2,4 GHz et des 5 GHz, les communications IEEE 802.11ac n'ont lieu que du côté 5 GHz.

Quelle description du mécanisme RTS/CTS, utilisé pour atténuer le problème de la station cachée dans les réseaux locaux sans fil, est correcte ?

  1. ALe terminal qui veut émettre envoie une demande d'émission (RTS) et le point d'accès répond par une autorisation d'émission (CTS) ; les terminaux voisins qui reçoivent le CTS s'abstiennent d'émettre pendant cette communication
  2. BLe terminal surveille les ondes reçues pendant qu'il émet et arrête immédiatement d'émettre s'il détecte une collision
  3. CTous les terminaux émettent à puissance maximale pour que leurs ondes s'atteignent mutuellement
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Réponse : A. Le terminal qui veut émettre envoie une demande d'émission (RTS) et le point d'accès répond par une autorisation d'émission (CTS) ; les terminaux voisins qui reçoivent le CTS s'abstiennent d'émettre pendant cette communication

Le problème de la station cachée se produit lorsque les ondes de deux terminaux atteignent le point d'accès, mais que ces terminaux ne peuvent pas recevoir les ondes l'un de l'autre à cause de la distance ou d'un obstacle. Aucun ne détecte l'émission de l'autre : chacun juge le canal libre, ils émettent en même temps et leurs trames entrent en collision au point d'accès. Avec RTS/CTS, le CTS renvoyé par le point d'accès indique la durée de la communication, et les terminaux qui reçoivent ce CTS s'abstiennent d'émettre pendant cette durée. L'échange RTS/CTS réduit l'efficacité ; on peut donc le configurer pour ne l'utiliser que pour l'envoi de grandes trames.

  1. Quelle affirmation décrit correctement une caractéristique du Bluetooth Low Energy (BLE) ?
  2. Quelle affirmation décrit correctement une caractéristique des communications sans fil LPWA (Low Power Wide Area) utilisées dans l'IoT ?
  3. La densité de puissance du bruit thermique à 290 K est de −174 dBm/Hz. Pour un récepteur de largeur de bande 1 MHz et de facteur de bruit 6 dB, dont la démodulation exige un S/N de 10 dB, quelle valeur est la plus proche de la sensibilité (puissance minimale du signal pouvant être reçue) ?

Questions d'entraînement sur Bases des communications sans fil

Termes clés expliqués

Wi-Fi
Nom courant des LAN sans fil fondés sur les normes IEEE 802.11 ; il indique qu'un appareil est certifié par le groupement industriel Wi-Fi Alliance. Le Wi-Fi utilise surtout les bandes de 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz et relie les appareils à un LAN par des points d'accès. L'accès au support est coordonné par CSMA/CA, et le débit et l'efficacité proviennent de l'OFDM, du MIMO et, à partir du Wi-Fi 6 (802.11ax), de l'OFDMA. Le trafic est chiffré avec WPA2 ou WPA3.
BLE (Bluetooth Low Energy)
Variante de Bluetooth, la communication sans fil à courte portée dans la bande des 2,4 GHz, qui privilégie une faible consommation. Elle réduit au minimum la durée des communications et arrête ses circuits le reste du temps, ce qui lui permet de fonctionner longtemps, même sur une pile bouton. On l'utilise pour les balises (beacons), qui émettent périodiquement de courts signaux appelés advertisements, les objets connectés portables, les capteurs, etc. Elle ne peut pas communiquer directement avec le Bluetooth classique (BR/EDR).
LPWA (Low Power Wide Area)
Ensemble des communications sans fil destinées à transmettre de petites quantités de données, comme des mesures de capteurs, à partir d'appareils qui fonctionnent sur pile pendant des années, jusqu'à des endroits éloignés de plusieurs km ou plus. Un débit volontairement faible permet de recevoir même des signaux faibles, ce qui allonge la portée. Certaines technologies, comme LoRaWAN, utilisent des bandes sans licence (au Japon, notamment la bande des 920 MHz) ; d'autres, comme LTE-M et NB-IoT, utilisent les bandes de la téléphonie mobile.
OFDM (multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence)
Technique qui répartit les données sur de nombreuses sous-porteuses mutuellement orthogonales, module chacune à un faible débit de symboles et les transmet en parallèle. En fixant l'espacement des sous-porteuses à l'inverse de la durée de symbole, on peut les séparer sans interférence même si leurs spectres se chevauchent. Robuste aux trajets multiples, elle est utilisée dans les réseaux locaux sans fil, la 4G LTE, la 5G NR, la télévision numérique terrestre, etc.
Problème de la station cachée (hidden node problem)
Problème qui se produit dans un réseau local sans fil lorsque les ondes de deux terminaux atteignent le point d'accès, mais que ces terminaux ne peuvent pas recevoir les ondes l'un de l'autre à cause de la distance ou d'un obstacle. Aucun ne détecte l'émission de l'autre : ils émettent en même temps et leurs trames entrent en collision au point d'accès. On l'atténue avec RTS/CTS, où le CTS renvoyé par le point d'accès demande aux terminaux voisins de s'abstenir d'émettre.
Affaiblissement en espace libre (free-space path loss)
Proportion dont la puissance d'une onde radio diminue entre deux antennes isotropes, en espace libre sans obstacle ni réflexion, en se répartissant sur une sphère qui grandit avec la distance. Il vaut L = (4πd/λ)² ; en dB, il augmente d'environ 6 dB chaque fois que la distance double et de 20 dB chaque fois qu'elle est multipliée par 10. Il sert de référence pour l'affaiblissement de propagation dans le calcul d'un bilan de liaison.
Bilan de liaison (link budget)
Calcul qui cumule les gains et les pertes entre la puissance d'émission et la puissance reçue, pour estimer la puissance qui parvient au récepteur et la marge par rapport à la puissance nécessaire à la réception (la sensibilité). On l'obtient en dB et en dBm par additions et soustractions : puissance d'émission + gains d'antenne − affaiblissement de propagation − pertes des câbles, etc. Le même raisonnement s'applique, outre la radio, au bilan de puissance des communications optiques.

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