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Construction d'une antenne WiFi

Par Matthieu Burel, Nicolas Girot, Florian Grisoni et Christophe Obert






Nous avons réalisé une antenne wifi pour un projet de LAN party. Vous trouverez ici comment effectuer une telle réalisation.

Dans un premier temps, nous avons cherché des informations relatives à la technologie wifi sur internet. Mais qu'est-ce que le WiFi ? La norme IEEE 802.11 (ISO/CEI 8802-11) est un standard international décrivant les caractéristiques d'un réseau local sans fil (WLAN). Le nom Wi-Fi est la contraction de Wireless Fidelity, Fidélité sans fil. Par abus de langage (et pour des raisons de marketing) le nom de la norme se confond aujourd'hui avec le nom de la certification. Ainsi un réseau Wi-Fi est en réalité un réseau répondant à la norme 802.11.


Qu'est-ce que le WiFi

Grâce au Wi-Fi il est possible de créer des réseaux locaux sans fil à haut débit pour peu que la station à connecter ne soit pas trop distante par rapport au point d'accès. Dans la pratique le Wi-Fi permet de relier des ordinateurs portables, des machines de bureau, des assistants personnels (PDA) ou même des périphériques à une liaison haut débit (108 Mbit/s) sur un rayon de plusieurs dizaines de mètres en intérieur (généralement entre une vingtaine et une cinquantaine de mètres). Dans un environnement ouvert la portée peut atteindre plusieurs centaines de mètres. Ainsi des opérateurs commencent à irriguer des zones à fortes concentration d'utilisateurs (gares, aéroports, hôtels, trains, etc.) avec des réseaux sans fil. Ces zones d'accès sont appelées "hot spots". (source Encyclopédie fr.wikipedia.org)



Le standard 802.11 définit deux modes

En mode infrastructure, le réseau sans fil consiste au minimum en un point d'accès connecté à l'infrastructure du réseau filaire et un ensemble de postes réseaux sans fil. Cette configuration est baptisée Basic Service Set (BSS, ou ensemble de services de base). Un Extended Service Set (ESS, ou ensemble de services étendu) est un ensemble d'au moins deux BSS formant un seul sous-réseau. En entreprise, la plupart des WLAN devront pouvoir accéder aux services pris en charge par le LAN filaire (serveurs de fichiers, imprimantes, accès Internet). Aussi fonctionneront-ils en mode infrastructure. Le mode ad hoc (également baptisé point à point, ou ensemble de services de base indépendants - soit IBSS, de l'anglais Independent Basic Service Set) représente simplement un ensemble de stations sans fil 802.11 qui communiquent directement entre elles sans point d'accès ni connexion à un réseau filaire. Ce mode permet de créer rapidement et simplement un réseau sans fil là où il n'existe pas d'infrastructure filaire ou encore là où une telle infrastructure n'est pas nécessaire pour les services attendus, chambre d'hôtel, centre de conférence ou aéroport par exemple, ou enfin lorsque l'accès au réseau filaire est interdit (cas du consultant sur le site du client).

schema d'un réseau WiFi en mode Infrastructure

(source http://rubb.free.fr/802-11/)


Le WiFi et la sécurité du réseau

La sécurité est le premier soucis de ceux qui déploient les réseaux locaux sans fil. Le comité de 802.11 a apporté une solution en élaborant un processus appelé WEP (Wired Equivalent Privacy).

Le principal, pour les utilisateurs, est d'être sûr qu'un intrus ne pourra pas :
  • Accéder aux ressources du réseau en utilisant le même équipement sans fil
  • Capturer le trafic du réseau sans fil (écoute clandestine)

802.11 gère à la fois le contrôle d'accès sur la couche MAC (Couche 2 du modèle ISO) et les mécanismes de chiffrement WEP de manière à assurer aux LAN sans fil une sécurisation équivalente à celle des réseaux filaires. Pour le contrôle d'accès, un ESSID (également appelé WLAN Service Area ID) est programmé sur chaque point d'accès. Un client sans fil ne pourra s'associer à un point d'accès que s'il connaît l'identificateur de ce dernier. De plus, il est possible d'intégrer au point d'accès une table des adresses MAC, baptisée Access Control List, qui limitera l'accès aux clients dont l'adresse MAC figure dans la liste.

Pour le chiffrement des données, le standard définit l'utilisation optionnelle de l'algorithme PRNG RC4 à clé partagée sur 40 bits de RSA Data Security. Toutes les données envoyées et reçues pendant que la station et le point d'accès sont associés peuvent être chiffrées à l'aide de cette clé. De plus, lorsque le chiffrement est activé, le point d'accès émettra un paquet test chiffré à destination de tous les clients qui tenteront de s'associer à lui. Le client doit utiliser sa clé pour chiffrer la réponse correcte afin de s'authentifier et de pouvoir accéder au réseau.

  • Raisonnablement fort : l'attaque par force brute de cet algorithme est difficile par le fait que chaque trame est envoyée avec un vecteur d'initialisation qui relance le générateur de nombres pseudo aléatoires.
  • Autosynchronisation : l'algorithme se resynchronise pour chaque message. Ceci est nécessaire pour travailler en mode non connecté, où les paquets peuvent être perdus, comme dans tout réseau local.

Au delà de la couche 2, les WLAN 802.11 supportent les mêmes standards de sécurisation que les autres LAN 802 en matière de contrôle d'accès (par exemple les logins du système d'exploitation)et de chiffrement (par exemple IPSec ou le chiffrement direct par les applications). Ces technologies de niveau supérieur peuvent servir à sécuriser le réseau de bout en bout, englobant ses composants filaires et sans fil, la portion sans fil profitant de fonctions de sécurisation spécifiques grâce aux fonctionnalités de 802.11.
(source http://rubb.free.fr/802-11/)



Les antennes

Nous avons pu découvrir les différents types d'antennes qu'il était possible de réaliser. Nous distingons ainsi quatre types d'antennes :

  • Le dipôle, ici genre de stylo, est l'antenne basique, la plus rencontrée. Elle est omnidirectionnelle, 0 dB de gain, et est dédiée à la desserte de proximité.
  • L'antenne panneau dite aussi plate ( technologie interne antenne quad ou antenne patch, réseau de dipôles. Le gain commence vers 9 dBi ( 10 x 10 cm) pour atteindre 21 dbi (50 x 40 x 3 cm ). C'est l'antenne qui présente le meilleur rapport gain/encombrement et aussi le meilleur rendement.
  • L'antenne type parabole pleine ou ajourée (grillagée). Interêt d'emploi, gain recherché > 21 dBi (60 cm), 24 dBi avec de la parabole de 90 cm. Le rendement de la parabole est moyen, 50/55%.
  • L'antenne à fentes, sectorielle, à gain.


Fournitures

Nous avons opté pour la réalisation d'une antenne Ricorée avec collerette. Pour mener à bien le projet, nous avions besoin du matériel suivant;
  • une pigtail: câble, connecteurs, fil de cuivre
  • une boîte Ricorée
  • une plaque d'aluminium pour la collerette

Le montage s'est déroulé en trois grandes parties: réalisation du pigtail, de la boîte Ricorée et de la collerette.



Calcul et dimensionnement

Pour pouvoir dimensionner notre antenne, deux données sont nécessaires : le diamètre et la fréquence du signal radio. Une boite Ricorée est une boite standard de diamètre externe de 100mm. Quant à la fréquence du WiFi, nous utilisons la norme 802.11g qui présente un débit de 54 Mbits/s sur la fréquence des 2.4 GHz. Maintenant que nous avons toutes ces informations, il devient alors possible de dimensionner notre antenne.



Les calculs sont réalisés à l'aide de l'application présente sur cette page web : ouvrir popupPlan de montage de l'antenne



Pour résumer les dimensions :
  • D = 100 mm
  • D2 = 240 mm
  • Lg = 184 mm (soit Lo/4 = 31 mm)
  • Lo = 125 mm (soit Lg/4 = 46 mm & 3/4 Lg = 93.75 mm)


Réalisation du corps de l'antenne

Nous avons d'abord scié la partie supérieure de la boîte pour minimiser les problèmes d'interférences.


Ensuite, il a fallu percer un trou de 16 mm de diamètre à 4.6 cm du socle de la boîte. Cette distance a pu être déterminée à l'aide du calculateur



Ce trou nous a permis d'insérer un connecteur adapté à notre pigtail.










Réalisation du pigtail

Un pigtail permet de relier une antenne à une carte ayant un connecteur propriétaire (comme les orinoco/agere/avaya/lucent). Il est important de bien réaliser cet élément du système car c'est un moyen non négligeable d'introduire des pertes dans ce dernier (point d'accès - antenne). La réalisation du pigtail consiste à souder les deux connecteurs (tn et tn inversé) au câble.










Réalisation de la collerette

Cette partie a été la plus longue et la plus délicate. Nous avons d'abord pris contact avec l'atelier méca pour nous renseigner sur la faisabilité du projet. Ensuite, nous avons dessiné le patron du cône. Nous avons décidé des dimensions à adopter à partir d'informations récoltées sur internet: le petit diamètre intérieur est de 10 cm tandis le diamètre extérieur meusre 24 cm. Ceci nous permet d'obtenir un angle de 30° comme l'indique le schéma de montage.



L'usinage n'a pas été aisé. La phase d'enroulage du cône a dû être effectuée manuellement. Malgré tout, le résultat est plutôt satisfaisant grâce au travail du technicien de l'atelier mécanique (Francis).





Vérification du fonctionnement l'antenne Ricorée à collerette

Les tests ont été réalisés entre un routeur WiFi linksys auquel se connecte notre antenne et un ordinateur portable équipé d'un carte PCMCIA WiFi de marque Belkin. Pour vérifier le bon fonctionnement de notre matériel, nous avons commencé par vérifier la liaison sans fil en interne sur 10m. A cette distance, notre antenne garantissait une connexion à 54 Mbits/s. Les résultats étant satisfaisants en interne, nous pouvions alors effectuer nos mesures sur une plus longue distance : la zone verte de l'INSA et le parking de la faculté des sciences.


Suite à cette phase de tests, nous avons apporté une légère modification sur notre antenne à savoir l'ajout d'une bande de papier aluminium sur la collerette afin de masquer le raccord lié à la soudure.




Résultats des tests de notre antenne

La phase de tests de l'antenne s'est déroulée sur deux sites différents de l'agglomération Rouannaise :

  • INSA de Rouen (site du madrillet)
  • Distance : 35m
Emetteur Pigtail Emetteur-Antenne Antenne émettrice Antenne réceptrice Pigtail Récepteur-Antenne Récepteur Puissance du signal
Point d'accès Asus Pigtail fabriqué Antenne Ricorée à collerette Antenne Quad Pigtail fabriqué Carte PCI WiFi 54G -60dB
Point d'accès Linksys Pigtail industriel Antenne Ricorée à collerette Antenne Quad Pigtail fabriqué Carte PCI WiFi 54G -35dB (et -27dB avec 87mW)
source: logiciel Network strumbler





  • Zénith de Rouen (parking Zenith & Parc Expo)
  • Distance : 500m
Emetteur Pigtail Emetteur-Antenne Antenne émettrice Antenne réceptrice Pigtail Récepteur-Antenne Récepteur Puissance du signal
Point d'accés Linksys Pigtail industriel Antenne Ricorée à collerette Antenne Quad Pigtail industriel Carte PCMCIA WiFi 54G 31dB
source: indicateur WiFi de Mac OS X




Webograhpie


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