Communication sans fil Ultra-Wideband (UWB) avec la technologie Murata

Dans cet article, obtenez un aperçu des communications ultra-large bande et explorez les solutions de composants de Murata qui les permettent.

La demande des consommateurs pour des communications rapides et de haute précision ne montre aucun signe de ralentissement. Les protocoles des générations précédentes, tels que le Wi-Fi, le Bluetooth et le GPS, offraient des niveaux de performance acceptables, mais il subsistait un fort besoin d'amélioration de la précision. La technologie ultra-large bande (UWB) répond à ce besoin. Dans cet article, obtenez un aperçu des communications UWB et explorez les solutions de composants de Murata qui la permettent.

Qu'est-ce que l'Ultra-large bande (UWB) ?

De cette manière, la communication sans fil UWB se distingue par sa faible interférence avec d'autres communications grâce à ses caractéristiques de communication comprenant une large bande de fréquence utilisée et un niveau de puissance de transmission inférieur au niveau de bruit. De plus, comme la communication elle-même n'est pas connue des tiers, elle présente une haute sécurité. En outre, une communication avec une faible consommation d'énergie est possible.   Comme montré à la Fig. 1, des impulsions d'une durée d'environ 2 ns (nanosecondes ; 10-9 secondes) sont envoyées comme données dans la communication sans fil UWB. Ces impulsions de courte durée ont la propriété d'une haute résolution en ce qui concerne la localisation et le positionnement.   En revanche, une petite durée d'impulsion dans le domaine temporel signifie que le spectre de puissance dans le domaine fréquentiel occupe une large bande. (Nous expliquerons le domaine temporel et le domaine fréquentiel dans les communications sur une autre page.)   La Fig. 2 montre qualitativement la puissance de transmission (densité spectrale de puissance) de la communication sans fil UWB dans ce domaine fréquentiel. On peut voir, par exemple, que la communication sans fil UWB est extrêmement large si nous la comparons à la largeur de bande de fréquence utilisée par les communications conventionnelles comme les téléphones mobiles 2G ou le Wi-Fi et les téléphones mobiles 3G.   De plus, en plus d'être inférieure aux autres méthodes de communication, la valeur de crête de la puissance de transmission dans la communication sans fil UWB est fixée au-dessous de la valeur de réglementation du niveau de bruit pour les équipements numériques qui émettent des ondes radio - la valeur de régulation du bruit électromagnétique rayonné établie par la U.S. Federal Communication Commission (FCC)*1 de −41.3 dBm/MHz*2 (75 nW/MHz).   De cette manière, la communication sans fil UWB se distingue par sa faible interférence avec d'autres communications grâce à ses caractéristiques de communication comprenant une large bande de fréquence utilisée et un niveau de puissance de transmission inférieur au niveau de bruit. De plus, comme la communication elle-même n'est pas connue des tiers, elle présente une haute sécurité. En outre, une communication avec une faible consommation d'énergie est possible.

*1 : La Federal Communication Commission (FCC) des États-Unis est une agence gouvernementale impliquée dans la gestion et la régulation de toutes les communications, qu'elles soient sans fil ou filaires, aux États-Unis.   *2 : dBm/MHz se réfère au niveau de puissance par largeur de fréquence de 1 MHz (densité spectrale de puissance). dBm est l'unité utilisée lorsque la puissance est convertie en logarithme commun. L'intervalle numérique géré est extrêmement large dans les systèmes de communication. Comme il est peu pratique de le manipuler directement, il est courant d'utiliser une expression logarithmique pour réduire l'intervalle.

Attacher des étiquettes UWB aux biens empêche qu'ils ne soient perdus. Par exemple, disons que vous attachez des étiquettes UWB à des sacs, portefeuilles, clés et autres objets similaires. Vous pouvez ensuite localiser les objets en déterminant avec précision la position des étiquettes UWB à l'ordre du centimètre à l'aide d'un smartphone équipé d'un module UWB. De plus, bien que les batteries des étiquettes UWB soient des piles bouton, il est dit qu'elles durent environ un an en raison de leur faible consommation d'énergie.

Il est possible de construire un système d'entrée et de sortie de bâtiment et de pièce, mains libres et sécurisé, en utilisant des smartphones et d'autres appareils équipés de modules UWB.   Vous pouvez déverrouiller en toute sécurité des résidences comme des condominiums qui utilisaient jusqu'à présent des codes PIN, des clés physiques, des cartes IC et d'autres mécanismes, ainsi que des bureaux et des usines où des informations confidentielles sont traitées, tout en gardant votre smartphone ou autre appareil dans votre poche ou sac sans sortir une clé ou une carte IC en tirant parti des fonctionnalités de localisation précise et de haute sécurité de l'UWB. De cette manière, on s'attend à ce que les applications se développent pour réaliser une entrée et une sortie fluides dans les bâtiments et les pièces.

Il est possible de construire un système de paiement mains libres et sécurisé pour les supermarchés, les magasins de proximité, les restaurants et d'autres installations commerciales en utilisant des smartphones et d'autres appareils équipés d'un module UWB. Il est également possible de mettre en place des systèmes de facturation des frais pour les portes de station, les installations de divertissement et de loisirs, les installations d'hébergement, les parkings et d'autres installations similaires.   Il y a des attentes pour l'utilisation pratique et la diffusion des applications qui permettront un paiement fluide et une facturation des frais sans avoir besoin de sortir votre portefeuille, carte IC, smartphone, ou similaire en profitant des fonctions de localisation précise et de haute sécurité de l'UWB.

Les clés intelligentes pour automobiles sont une application de la technologie sans fil UWB qui tire parti de sa portée et de son positionnement de haute précision. Par exemple, il est possible de configurer des fonctions opérationnelles, telles que celle qui peut déverrouiller un véhicule après avoir déterminé que le propriétaire se trouve à environ 1 mètre de celui-ci et peut ensuite démarrer le moteur lorsque le propriétaire se trouve à quelques dizaines de centimètres de celui-ci en utilisant la communication sans fil avec UWB à proximité de cet automobile.   De plus, la technologie sans fil UWB offre une communication confidentielle avec une puissance de transmission extrêmement faible. Cela signifie qu'elle améliore la sécurité. Par exemple, elle peut prévenir une technique de vol appelée "attaque par relais" dans laquelle un tiers déverrouille un véhicule en relayant les ondes radio émises en continu par les clés sans fil traditionnelles.

On dit que les faisceaux de câblages (composants embarqués composés de fils électriques et de bornes de connexion) utilisés comme réseaux embarqués tels que le Controller Area Network (CAN) atteignent une longueur totale de 10 km et un poids total de 50 kg selon le modèle de véhicule de nos jours, quand les automobiles deviennent compatibles avec l'IoT en étant équipées d'une large gamme de capteurs, radars, systèmes AI et autres technologies, et que ces éléments sont reliés entre eux. Il est dit que le sans fil UWB, qui a une faible interférence avec d'autres communications, est efficace pour rendre les réseaux embarqués sans fil dans une situation où il y a une évolution parallèle des voitures connectées.

Systèmes de positionnement en temps réel dans les usines, entrepôts et autres installations Il est possible de construire un système de positionnement en temps réel (RTLS) en utilisant plusieurs ancres UWB et balises UWB*4. Il s'agit d'un système qui permet de saisir avec une haute précision et en temps réel l'emplacement des composants, des colis et d'autres éléments placés dans des sites tels que les usines et les installations logistiques.   *4 : Il est possible, avec un positionnement utilisant la communication sans fil UWB, que plusieurs ancres reçoivent les signaux émis par les balises et traitent ensuite ces informations pour comprendre avec précision l'emplacement de cette balise (se référer à la colonne). Les ancres UWB pour l'industrie sont généralement utilisées en conjonction avec des moteurs de positionnement, des serveurs d'applications et d'autres systèmes.

Murata Manufacturing (ci-après, "Murata") propose une gamme de modules UWB compacts et à faible consommation d'énergie que nous avons configurés avec nos filtres, horloges, antennes et autres composants périphériques hautement fiables en adoptant des chipsets UWB de NXP ou Qorvo.

Principales utilisations : appareils IoT généraux contenant des dispositifs alimentés par batterie. Nous avons adopté le chipset NXP Trimension™ SR150 UWB pour ces modules. Ce sont de petits modules composés d'un blindage conforme en plus d'un moule en résine. Ils prennent en charge 2D AoA et 3D AoA avec trois spécifications d'antenne.   Type 2BP : modules UWB à base de NXP

Principales utilisations : balises/suiveurs UWB qui fonctionnent avec la faible consommation d'énergie des piles bouton et les équipements IoT généraux. Ces modules sont des modules combinés pour lesquels nous avons adopté le chipset NXP Trimension™ SR040 UWB et le chipset NXP QN9090 Bluetooth® LE + MCU. Ils sont équipés tout-en-un avec des antennes intégrées et des composants périphériques.   Type 2DK : Modules UWB basés sur NXP  

Principales utilisations : appareils et applications IoT fonctionnant sur de petites batteries. Ces modules sont des modules UWB avec une conception ultra-petite, de haute qualité et à faible consommation d'énergie pour lesquels nous avons adopté le chipset Qorvo QM33120. Ils sont équipés d'un chipset Bluetooth® LE pour le réveil UWB (annulation de veille) et les mises à jour de firmware, notre accéléromètre, une horloge de référence UWB et MCU, parmi d'autres composants.   Type 2AB : Modules UWB basés sur Qorvo

Principales utilisations : dispositifs IoT et applications qui fonctionnent sur de petites batteries. Ces modules sont des modules UWB avec un design ultra-petit, de haute qualité, et à faible consommation d'énergie pour lequel nous avons adopté le chipset Qorvo QM33120. Ils sont équipés d'un chipset Bluetooth® LE pour le réveil UWB (annulation du mode veille) et les mises à jour de firmware, notre accéléromètre, l'horloge de référence UWB et MCU, parmi d'autres composants.   Type 2AB : Modules UWB basés sur Qorvo

Il est courant de combiner la télémétrie avec le temps de vol (ToF) et la mesure d'angle avec l'angle d'arrivée (AoA) entre des terminaux tels que des smartphones équipés d'une fonction UWB ou des ancrages UWB pour l'industrie et des balises UWB comme méthodes de positionnement utilisant la communication sans fil UWB. Nous expliquons chaque méthode ci-dessous.

Le mesurage avec Time of Flight (ToF) utilisant la communication sans fil UWB est un mécanisme pour calculer la distance à un objet cible en mesurant le temps entre la transmission et la réception d'un message (signal). Plus précisément, un émetteur UWB envoie des signaux d'impulsions courtes, et un récepteur reçoit ensuite ces signaux. Le temps requis entre la transmission et la réception de ces signaux est appelé le ToF.   Le mesurage UWB utilisant la technologie ToF permet de calculer la distance à partir de la vitesse des ondes électromagnétiques (vitesse de la lumière) et du temps requis. Plus précisément, la distance est obtenue en utilisant le produit du temps requis et de la vitesse de la lumière. Les caractéristiques ultra-large bande de l'UWB rendent possible l'utilisation de signaux d'impulsions courtes. Par conséquent, il est possible d'obtenir une haute résolution temporelle et une précision de mesure. En conséquence, on peut s'attendre à l'acquisition de résultats de mesure de haute précision dans les applications de détection et de positionnement. En conséquence, il est utilisé dans divers domaines.   Il existe deux principales techniques de la technologie de mesurage UWB : le mesurage bidirectionnel à une voie (SS-TWR) et le mesurage bidirectionnel à double voie (DS-TWR). Ces techniques adoptent des approches différentes pour la mesure de la distance avec le trajet aller-retour des signaux.  

SS-TWR est une méthode pour mesurer le temps aller-retour avec un seul appareil. Dans cette technique, l'appareil A transmet des signaux à l'appareil B, et l'appareil B reçoit ensuite ces signaux avant de renvoyer des signaux de réponse à l'appareil A. L'appareil A mesure le temps nécessaire entre l'émission et la réception des signaux pour calculer le temps aller-retour.   Cette méthode permet la mesure avec seulement l'appareil A. Néanmoins, la synchronisation des horloges des deux appareils est requise.

DS-TWR est une méthode pour mesurer le temps aller-retour avec les deux appareils et ensuite partager les résultats. Dans cette technique, l'appareil A transmet des signaux à l'appareil B, et l'appareil B reçoit ces signaux avant de renvoyer des signaux de réponse à l'appareil A. L'appareil A et l'appareil B mesurent le temps requis respectivement de la transmission à la réception de ces signaux. Ils calculent ensuite le temps aller-retour en utilisant ces résultats. La synchronisation des horloges n'est pas nécessaire dans cette méthode. Cela signifie qu'une mesure encore plus simple et de plus haute précision est possible.

L'AoA est une méthode pour calculer l'angle de la direction dans laquelle l'appareil B est placé, tel que vu depuis l'appareil A. Comme illustré à la Fig. 4, la mesure d'angle avec AoA dans le sans fil UWB est un mécanisme dans lequel les ondes radio émises par l'appareil B sont reçues par les multiples antennes de l'appareil A pour calculer l'angle à partir du contraste de phase des ondes radio reçues. En conséquence, il est possible d'effectuer un positionnement planaire avec mesure d'angle (AoA 2D) en utilisant deux antennes et un positionnement tridimensionnel avec mesure d'angle (AoA 3D) en utilisant trois antennes.