Ultra-large bande - Un futur leader

Quelles technologies sans fil grand public existent ?

La communication sans fil a été l’un des développements les plus importants dans le domaine de l’électricité, remontant à 1887, lorsque Heinrich Hertz a démontré comment les signaux radio peuvent être générés à partir de l’électricité et reçus à l’aide d’un éclateur et d’un grand fil de cuivre. Les systèmes modernes de communication sans fil sont extrêmement avancés avec des circuits sophistiqués permettant des transferts de données à haute vitesse tout en utilisant de petites quantités d’énergie.   Le mode de communication sans fil le plus célèbre à ce jour est sans doute le Wireless Fidelity (Wi-Fi). Il se retrouve dans les maisons, les bureaux et les sites industriels. Le Wi-Fi permet des taux de transfert de données élevés tout en offrant une bonne couverture ainsi qu’un support pour plusieurs appareils.   Cellulaire est le deuxième plus grand système de communication sans fil. Il permet aux appareils mobiles portables de passer des appels téléphoniques ainsi que d’accéder à Internet. Les réseaux cellulaires peuvent prendre en charge beaucoup plus d’appareils que le Wi-Fi tout en offrant une portée plus large.   Bluetooth est une technologie sans fil axée sur l’économie d’énergie et la commodité. Contrairement au Wi-Fi et aux réseaux cellulaires, Bluetooth dispose de faibles taux de transfert de données et d’une portée très restreinte (quelques mètres) ; cependant, il utilise une quantité d’énergie extrêmement faible. Cela est idéal pour les appareils portables avec batterie, car ils peuvent rester connectés pendant de longues périodes sans avoir besoin de se recharger.   La communication en champ proche est la méthode de communication à courte portée la plus utilisée. Sa petite portée de quelques centimètres est bénéfique pour les systèmes de sécurité nécessitant une entrée sans contact ainsi que pour les méthodes de paiement qui ne nécessitent pas l’utilisation d’un code d’accès.

Quels défis les systèmes de communication sans fil rencontrent-ils dans les applications modernes ?

Au cours des deux dernières décennies, l'électronique est passée des appareils filaires aux appareils sans fil en raison de la commodité de ne pas avoir de câbles. Le désir d'éliminer les câbles est devenu si grand que certains appareils électroniques sur le marché offrent désormais une charge sans fil.   Cependant, l'absence de câbles implique que les appareils doivent stocker de l'énergie afin de fonctionner, et cette énergie provient presque toujours d'une batterie. C'est cette dépendance à une batterie qui pose des problèmes aux ingénieurs lorsqu'ils essaient de mettre en œuvre des systèmes sans fil, car la communication sans fil peut être extrêmement énergivore.   Les appareils qui doivent communiquer sur seulement quelques mètres peuvent utiliser le Bluetooth, qui est très économe en énergie. Cependant, un appareil qui doit envoyer de grandes quantités d'informations ou être capable de communiquer sur de plus grandes distances devra utiliser des technologies telles que le Wi-Fi, qui peut rapidement vider une batterie. Cela est également problématique, car la batterie est également nécessaire pour alimenter les écrans, processeurs, et interfaces utilisateur.   Les fonctionnalités comme la localisation des actifs deviennent également de plus en plus populaires ; cependant, elles ne peuvent pas être mises en œuvre de manière fiable avec la technologie sans fil actuelle. GPS n'est pas disponible sur tous les appareils, mais même lorsqu'il l'est, la précision du GPS est généralement d'environ 5 mètres à 30 cm, ce qui le rend totalement inutilisable pour la localisation en intérieur. Le Wi-Fi peut offrir une précision d'environ 5 mètres, tandis que le Bluetooth peut atteindre 3 mètres. Les applications futures exigeant la capacité de suivre des appareils en temps réel en intérieur nécessiteront une précision bien supérieure (moins de 10 cm).

Qu'est-ce que l'ultra large bande ?

L'ultra-large bande (Ultra-wideband) est une technologie de communication sans fil qui utilise une large bande de fréquences (comparée à d'autres technologies de communication sans fil) pour transmettre des informations.   La plupart des technologies sans fil typiques modulent un signal porteur pour transmettre des informations, et cette modulation peut être l'amplitude de l'onde porteuse, la fréquence de l'onde porteuse ou la phase de l'onde porteuse. Ces méthodes pour transmettre des informations ont généralement des plages de fréquences étroites (c'est-à-dire une bande passante), ce qui signifie que la majorité de leur puissance radio se concentre sur une fréquence spécifique. Dans le cas du Wi-Fi, les bandes radio se situent entre 20 MHz et 40 MHz, centrées soit à 2,4 GHz soit à 5 GHz.   Le UWB, cependant, utilise une très grande bande passante qui peut être dans la gamme des gigahertz, et cette plage de fréquences peut facilement inclure plusieurs technologies radio (comme le Wi-Fi) sans interférer avec elles.   Sans entrer dans les complexités du UWB, il peut réussir cela, car le signal envoyé par le UWB est inférieur au seuil de bruit sur l'ensemble du spectre. Cela ne signifie pas que le UWB transmet des ondes radio en dessous du niveau de bruit de fond, mais que la quantité d'énergie envoyée par le UWB par unité de temps est inférieure à une limite de seuil de bruit définie par des normes internationales. On peut penser à cela comme si on faisait un claquement de mains très fort une fois par minute dans un stade. Alors que les claquements individuels sont très forts, le bruit moyen par minute est presque silencieux.   Le UWB envoie des impulsions individuelles d'énergie radio sur une large gamme de fréquences dont l'onde est typiquement un cycle unique. Ce qui rend le UWB fascinant est que la génération d'une seule impulsion d'énergie amène l'émetteur à émettre sur un spectre large (comme la manière dont une onde carrée génère des harmoniques).   Des millions, voire des milliards, de ces impulsions sont envoyées chaque seconde via le UWB, et ces impulsions sont espacées de manière uniforme afin qu'un récepteur UWB puisse isoler le signal UWB. De plus, d'autres technologies de récepteur (non-UWB) ignoreront naturellement les signaux UWB soit parce qu'il n'y a pas de modulation de fréquence, soit parce que l'énergie radio est très faible, soit parce que le décalage de phase est trop étroit.   Pour résumer, le UWB émet de petites impulsions d'énergie radio sur un spectre large qui, individuellement, ressemblent à du bruit pour les récepteurs normaux. Ces impulsions d'énergie sont espacées uniformément afin qu'elles puissent être récupérées par un récepteur UWB, et l'énergie moyenne des signaux UWB est inférieure au seuil de bruit pour la communication standard.

Quels sont les avantages de l'UWB ?

La technologie UWB (Ultra-Wideband) présente de nombreux avantages par rapport aux technologies existantes, et le développement d'une antenne réseau à faible coût a encore contribué à accroître son adoption. Cependant, il convient de préciser que l'UWB en tant que technologie est parfaite pour compléter les technologies préexistantes et n'est pas conçue pour remplacer totalement une autre technologie.   Le premier avantage majeur de l'UWB est une consommation d'énergie extrêmement réduite. D'autres technologies telles que Wi-Fi et le cellulaire nécessitent l'utilisation de signaux porteurs sur de longues distances, ce qui est très énergivore. La réduction de l'énergie utilisée par l'onde porteuse est essentiellement ce que fait le Bluetooth, mais cela entraîne une réduction de la portée et du débit de transfert de données. L’utilisation de petites impulsions d’énergie radio aide à minimiser la consommation d’énergie instantanée, tandis que l’utilisation d’un large spectre permet une utilisation plus efficace de l’énergie (gardez à l’esprit que les signaux bande étroite perdent de l’énergie en dehors de la largeur de bande).   Le deuxième avantage majeur de l'UWB est la portée. En fonction de la fréquence, la communication radio peut souvent être bloquée par des obstacles tels que murs, portes ou arbres. L'utilisation d'une onde porteuse à fréquence unique signifie qu’un obstacle capable de bloquer les signaux à cette fréquence entraînera une grave dégradation du signal (une analogie serait de mettre tous vos œufs dans le même panier).   L'UWB, cependant, utilise un large spectre de fréquences, lesquelles se comportent différemment et empruntent des chemins variés. Le résultat est que tout obstacle capable de bloquer une fréquence spécifique ne pourra pas bloquer toutes les autres fréquences utilisées par l'UWB. Ainsi, les signaux UWB sont exceptionnellement efficaces pour contourner les obstacles et peuvent traverser les murs.   Le troisième avantage majeur de l'UWB est que l'utilisation d'une large gamme de fréquences couplée avec des impulsions radio permet d'obtenir des fonctionnalités avancées semblables à celles d'un radar, où les dispositifs UWB peuvent être positionnés de manière précise. Alors que les technologies radio comme Wi-Fi et Bluetooth peuvent fournir une précision de localisation de quelques mètres, l'UWB est capable d’atteindre une précision de 10 cm. Cela permet à l'UWB d’être utilisé dans des applications nécessitant le suivi des biens tout en fournissant simultanément une communication entre dispositifs.

Technologie ultra-large bande et ses applications

Lorsqu'on analyse les avantages de la technologie UWB, il est évident que cette dernière est idéale pour les applications nécessitant une faible consommation d'énergie, une portée étendue et des capacités de suivi. Bien que le UWB puisse être utilisé pour des taux de transfert de données élevés, il est peu probable qu'il concurrence des technologies comme les réseaux cellulaires et le Wi-Fi, qui sont spécifiquement conçus pour les transferts de données volumineux.   Une des applications pour lesquelles UWB serait particulièrement adapté est celle des dispositifs IoT. Avec l'évolution constante des technologies, les dispositifs IoT deviendront sans aucun doute de plus en plus petits. Si l'on combine cette petite taille avec le besoin de fonctionnement à distance, UWB représente le candidat idéal. Les faibles besoins en énergie de UWB permettent aux dispositifs IoT de fonctionner sur de longues périodes sans nécessiter une recharge, tandis que les capacités de longue portée de UWB permettent de répartir les dispositifs IoT sur de vastes zones.   UWB est également idéal pour les applications nécessitant un suivi des actifs. UWB est déjà intégré dans certains produits de suivi des actifs, comme l'Apple Airtag, démontrant ainsi les capacités de cette technologie. Le suivi des actifs deviendra également d'une importance clé sur les sites industriels futurs qui contiendront des centaines, voire des milliers, d'appareils connectés à Internet dont les positions doivent être connues. Par exemple, des véhicules automatiques de transport de marchandises qui déplacent des articles d'un entrepôt à un autre pourraient utiliser UWB pour une position en temps réel par rapport à d'autres dispositifs.   UWB dispose aussi d'un réel potentiel dans le domaine de l'automobile en exploitant les capacités de suivi du UWB pour rendre les véhicules plus conscients de leur environnement. Plusieurs véhicules équipés de systèmes UWB pourraient communiquer entre eux sur leur vitesse, leur position et leur accélération, ce qui pourrait déboucher sur des fonctionnalités de sécurité avancées comme la détection préventive de collision.   L'utilisation de UWB dans les véhicules pourrait également bénéficier aux piétons équipés d'un dispositif UWB ; les voitures circulant rapidement sur une route pourraient détecter si des piétons traversent le trafic et soit informer le piéton de revenir en arrière, soit appliquer les freins de manière contrôlée.

Avenir de la technologie UWB

UWB est une méthode de communication fondamentalement différente comparée aux méthodes grand public comme le Wi-Fi et le Bluetooth. L'utilisation des impulsions radio sur un large spectre permet à l'UWB de fonctionner simultanément avec d'autres technologies, tandis que l'utilisation d'un spectre étendu permet des fonctionnalités avancées telles qu'un suivi précis. De plus, l'utilisation de signaux radio à intervalles définis aide à réduire la consommation d'énergie tout en maintenant des taux de transfert élevés, et l'utilisation de signaux larges (bien que brèves dans le temps) permet une communication jusqu'à 50 mètres (ce qui le place au même niveau que le Wi-Fi).   UWB ne remplacera ni ne concurrencera d'autres technologies, étant donné que chaque technologie utilisée possède ses propres avantages. Cependant, elle sera indéniablement un acteur majeur dans les futures applications IoT et IIoT et pourrait même se révéler utile dans les environnements automobiles.