La technologie ultra-large bande (UWB) a récemment subi un remaniement (en 2019). Actuellement, elle est dotée d'une technologie de détection de distance, de portée et de localisation considérablement améliorée et de communications plus performantes. Elle est désormais en mesure de rivaliser avec d'autres technologies de communication et de détection sans fil courantes. Voyons comment.

Notions de base de l'UWB

Basée sur les normes IEEE 802.15.4a et 802.15.4z, la technologie ultra-large bande (UWB) est spécifiquement conçue pour les services de micro-localisation et les communications sécurisées. Le fonctionnement qui sous-tend l'UWB est très différent de la plupart des autres technologies de communication et de détection sans fil. L'UWB repose sur des impulsions à large bande mais de courte durée (~2 nanosecondes) avec des temps de montée et de descente extrêmement rapides. L'UWB code les données dans les impulsions, en utilisant deux signaux radio à impulsions (IR) consécutifs par symbole UWB.

L'UWB utilise la modulation par déplacement de phase binaire (MDPB) et/ou la modulation par position d'impulsion (BPM). Chaque communication UWB étant horodatée, le code de saut temporel utilisé permet une détection de position très précise et une immunité aux interférences provenant des autres signaux UWB. L'utilisation de l'horodatage permet également de calculer le temps de vol (TOF) entre deux dispositifs UWB et de réaliser une télémétrie bidirectionnelle (TWR) poste à poste (P2P) entre deux radios UWB. Des « points d'ancrage » synchronisés supplémentaires dans un environnement peuvent permettre une navigation en temps réel dans l'environnement à l'aide de la différence de temps d'arrivée (TDoA) ou de la TDoA inverse (RTDoA).

La FCC (Commission fédérale des communications) définit l'UWB comme une communication qui doit fonctionner avec une largeur de bande absolue supérieure à 500 MHz. La densité de puissance maximale de la fréquence centrale UWB est supérieure à 2,5 GHz ou a une largeur de bande fractionnée supérieure à 0,2 avec une fréquence centrale inférieure à 2,5 GHz. Cela permet d'éviter les interférences avec les technologies de la bande ISM à 2,5 GHz, telles que le Wi-Fi™ et le BLUETOOTH^™.

D'après la figure 1, il est clair que les fréquences porteuses et les largeurs de bande UWB vont généralement de ~3,5 GHz à ~9,5 GHz à travers le monde. Certains canaux UWB permettent une largeur de bande atteignant 1 354,97 MHz à une fréquence porteuse de 9 484,8 MHz. Il s'agit d'une largeur de bande énorme pour une technologie de communication, mais comme l'UWB utilise une méthode de communication par impulsions temporelles, le débit de l'UWB est plafonné à 27 Mbit/s.

Figure 1 : les canaux UWB et leur utilisation dans différentes régions du monde (Source : Qorvo)

UWB vs. sans-fil

L'UWB a été développée avec une approche entièrement différente des communications et de la détection de position. Ainsi, la norme semble être une façon provisoire de permettre la communication à partir d'une norme de détection de position, semblable à celle du radar, qui présente divers avantages majeurs en raison de cette approche (figure 2).

Figure 2 : UWB comparée aux technologies Bluetooth, Wi-Fi, RFID et GPS (Source : Qorvo)

L'UWB affiche un débit beaucoup plus rapide que le GPS (aucun), Bluetooth, Zigbee, RFID et d'autres normes de communication sans fil non propriétaires. Sur le plan fonctionnel, le Wi-Fi et les télécommunications cellulaires 4G/5G sont les seules normes qui dépassent l'UWB en termes de débit brut. Cependant, ni le Wi-Fi ni la 4G/5G n'offrent une fonction de détection de position précise (précision maximale de plusieurs mètres). La RFID est la technologie concurrente la plus proche de l'UWB en termes de précision absolue de la position « sur papier », mais elle présente une portée minimale de détection inférieure à un mètre. Même la précision des produits GPS haut de gamme (plusieurs centimètres) constitue une détection de position P2P moins précise que l'UWB. Cependant, pour un suivi GPS stationnaire et à long terme, la précision du GPS peut atteindre des mesures au millimètre près. Dans ce cas, le GPS de haute précision n'est strictement accessible que dans des environnements non encombrés avec un minimum d'interférences, car la référence provient de constellations de satellites en orbite.

La fiabilité et l'immunité aux interférences sont d'autres domaines dans lesquels l'UWB se distingue. Le GPS est très sensible aux obstructions et aux interférences, car le signal GPS à bande relativement étroite est faible lorsqu'il atteint un appareil utilisateur. En revanche, la RFID est relativement robuste car elle utilise un mécanisme de résonance à courte portée qui est plutôt solide. Les systèmes Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee sont sensibles aux interférences et aux trajets multiples, mais ils sont plutôt insensibles aux obstructions. Le fonctionnement à très large bande et la méthode de synchronisation de l'UWB permettent une puissante immunité aux interférences en général, mais aussi aux trajets multiples. Les obstructions qui peuvent empêcher la pénétration des signaux RF entraveront l'UWB et les autres technologies de communication/détection sans fil.

La portée du suivi GPS est pratiquement mondiale si l'on tient compte des autres constellations de satellites de détection de position. La RFID a une portée très limitée, de plusieurs mètres tout au plus. Le Wi-Fi est généralement limité à environ 100 m pour une précision de 5 m et une portée maximale de 150 m. En revanche, le Bluetooth peut atteindre une précision d'environ 2 m à environ 25 m, avec un maximum de 100 m. L'UWB offre une portée maximale de 250 m avec des points d'ancrage, tout en conservant une précision centimétrique P2P.

Le Wi-Fi et le Bluetooth ne nécessitent que quelques secondes pour acquérir la position XYZ pour la détection de la position. La RFID est généralement capable de lire la position en une seconde. Le temps de positionnement typique du GPS est, quant à lui, d'environ 100 ms. Le protocole UWB peut réaliser une détection de position XYZ complète en moins de 1 ms, ce qui permet un suivi à haut débit entre postes ou dans un environnement avec des points d'ancrage.

La plupart des protocoles sans fil disposent d'un mode de fonctionnement à haute efficacité énergétique pour permettre un fonctionnement sur batterie à long terme. Pour le GPS, le seul élément à prendre en compte est la durée de vie de la batterie du terminal. Néanmoins, ils sont généralement moins efficaces que les autres normes sans fil en raison des amplificateurs à haut gain et à faible bruit nécessaires pour capter les signaux GPS. Les modes à faible consommation d'énergie Wi-Fi et Bluetooth nécessitent plus de 10 nJ/bit pour la réception et l'émission. L'UWB, quant à elle, nécessite moins de 10 nJ/bit RX/TX, ce qui représente un gain d'efficacité substantiel par rapport au Bluetooth et au Wi-Fi. Les capteurs RFID sont généralement passifs du côté étiquette, mais ils doivent être alimentés du côté terminal, généralement par une alimentation électrique.

Les points d'ancrage et modules UWB conçus pour être intégrés aux équipements des utilisateurs et aux dispositifs portables sont relativement peu coûteux, tout comme les modules Bluetooth. Ces derniers sont généralement beaucoup moins chers que les modules Wi-Fi et GPS. Les modules RFID présentent un large éventail de coûts relatifs en fonction de la façon dont les étiquettes sont déployées et peuvent être relativement bon marché pour les unités jetables de base ou plus chers pour les unités plus sophistiquées.

Il est difficile de comparer l'UWB en termes de sécurité, car cette itération de protocole est relativement nouvelle et il n'y a pas eu d'importantes tentatives de violation des méthodes de sécurité de l'UWB. Le temps nous dira comment l'UWB se positionne par rapport aux autres protocoles sans fil qui existent depuis un certain temps et dont les failles de sécurité sont bien connues. De même, l'évolutivité pratique des systèmes UWB déployés n'a pas été largement testée, comme cela a été le cas pour le Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, etc. Cependant, sur papier, l'UWB offre la possibilité de déployer des dizaines de milliers d'étiquettes dans un environnement dense, ce qui dépasse de loin les limites pratiques du Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee.

Conclusion

Il est peu probable que l'UWB remplace les technologies Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, GPS ou RFID, ce qui est compréhensible car cela ne semble pas être l'objectif de cette technologie. L'UWB semble être spécifiquement conçue pour cibler les applications qui nécessitent une détection de position plus précise avec une latence beaucoup plus faible et une plus grande fiabilité. L'UWB semble ainsi plus en concurrence avec certaines des fonctionnalités des communications à faible latence ultra-fiables (URLLC) utilisées par la 5G. Toutefois, la 5G n'inclut pas le suivi/la détection de la position (peut-être autour d'un mètre ou moins avec la technologie des ondes millimétriques) dans le même ordre de grandeur que l'UWB. La valeur ajoutée de l'UWB est qu'elle permet des applications de localisation et de suivi P2P très précises qui bénéficient d'une technologie à débit raisonnable à courte et relativement longue portée, ce qui est unique et constitue un atout potentiel pour une grande variété d'applications.