UWB : capacités et perspectives d'application

La technologie ultra-large bande, ou UWB , est au centre des préoccupations des médias numériques ou est de plus en plus souvent mentionnée en relation avec les produits phares des plus grandes entreprises. Néanmoins, il reste encore un outsider parmi les technologies sans fil conventionnelles et souffre d'un manque d'exposition médiatique.

Ainsi, cet article entend résoudre cette injustice. Il s'agit d'un examen qui contient une brève perspective historique, une description des principes généraux, des méthodes, des domaines d'application et des cas d'utilisation, et analyse les capacités et les perspectives.

Aperçu du contenu

• À propos de la technologie UWB
• Histoire du développement
• Avantages et inconvénients de la technologie UWB
• Méthodes de localisation UWB
• Applications et cas d'utilisation
• Conclusion

À propos de la technologie UWB

UWB est une technologie de communication sans fil qui utilise un spectre ultra large du signal porteur et permet de transmettre des données sur de courtes distances avec une consommation d'énergie extrêmement faible.

Selon Secteur des radiocommunications de l'UIT :

La principale méthode de communication UWB est la transmission d'une série d'impulsions courtes, chacune d'une durée d'environ 1 nanoseconde. Et comme plus l'impulsion est courte, plus son spectre est large, de telles impulsions nécessitent une bande passante beaucoup plus grande (par rapport aux communications à bande étroite). D'où le terme "ultra large bande".

Une autre caractéristique est un niveau de signal très faible, proche de la force du bruit radio. De ce fait, l'UWB coexiste avec d'autres technologies de communication radio plus traditionnelles sans causer d'interférences.

Histoire du développement

La méthode de transmission impulsionnelle des signaux était connue à la fin des années 80 du XIXe siècle . A cette époque, des versions améliorées de l'émetteur à étincelles, avec lequel Heinrich Hertz allait prouver l'existence d'ondes électromagnétiques, étaient largement utilisées dans l'organisation de la communication sans fil entre les navires et les stations côtières .

Plus tard, pendant la Seconde Guerre mondiale, la technologie radio à impulsions a été utilisée dans de nombreux radars militaires. Dans les années 1950 , des scientifiques soviétiques, essayant d'améliorer les systèmes électriques, ont entamé des recherches approfondies dans ce domaine. Ils étaient le premier à comprendre que des impulsions ultra-courtes peuvent transmettre plus d'informations sur un objet , même si le champ d'application était encore principalement militaire.

Dans les années 1970 , les systèmes radar basés sur UWB ont commencé à être utilisés pour des applications civiles : balayage du sol, bâtiments, positionnement, avertissement de collision, détection de niveau de liquide, détection d'intrus et dans les stations radar mobiles.

Brevet américain 3 728 632 de Ross , datée du 17.04.1973, est considérée comme une étape importante dans le développement de la technologie et souligne l'un des principaux avantages de l'UWB - la coexistence avec des normes communes sans interférence.

En 2002 , en raison de l'intérêt croissant des entreprises, la Federal Communications Commission (FCC) des États-Unis a approuvé l'utilisation commerciale réglementée du spectre radio de 3,1 à 10,6 GHz.

En 2003 , l'Institut européen des normes de télécommunications (ETSI) a publié la norme IEEE 802.15.4, qui définit la couche physique (PHY) et la couche de contrôle d'accès au support (MAC) pour les réseaux personnels sans fil à faible débit (LR-WPAN). Une extension de la norme axée sur la sécurité a été introduite en 2020 dans 802.15.4z, qui a introduit la couche physique PHY CSS (modulation de fréquence linéaire à 2450 MHz), défini une méthode de télémétrie bidirectionnelle et ajouté un chiffrement de substitution.

Ce n'est qu'il y a quelques années, en 2019 , que l'UWB s'est fait connaître d'un public d'utilisateurs finaux plus large lorsque des entreprises de renommée mondiale telles qu'Apple et Samsung ont commencé à introduire des fonctionnalités basées sur cette technologie dans leurs appareils grand public.

Avantages et inconvénients de la technologie UWB

L'un des principaux avantages de l'UWB est sa résistance aux l'effet multi-trajets en raison de sa résolution temporelle élevée et de sa courte longueur d'onde. C'est pourquoi la technologie est si bonne pour la mesure et le suivi de distance : UWB est 100 fois plus précis que le Wi-Fi ou le Bluetooth Low Energy dans de telles tâches et offre une précision de quelques centimètres au lieu de quelques mètres.

L'utilisation d'UWB, à son tour, donne une grande résilience à la sélection de fréquence décoloration par rapport au Bluetooth et au Wi-Fi. Cela permet de déployer plusieurs systèmes basés sur UWB dans le même environnement sans provoquer de conflits avec d'autres normes.

La latence extrêmement faible fait d'UWB un candidat idéal pour les systèmes de positionnement automatique d'objets se déplaçant rapidement en temps réel, par exemple les drones.

Un autre avantage clé est le degré élevé de protection des données en raison de la faible puissance des impulsions générées. Le dernier IEEE 802.15.04z-2020 Le changement a augmenté la sécurité des données en introduisant une nouvelle couche physique de modulation de fréquence de ligne, en ajoutant des techniques de cryptage telles que l'horodatage brouillé et le chiffrement de substitution.

Les autres avantages de l'UWB incluent :

• Aucune restriction sur la disponibilité du spectre radio ;
• Prise en charge simultanée de centaines de canaux ;
• Large gamme de débits de données : de 4 Mbit/s à 675 Mbit/s et plus, selon la fréquence ;
• Prise en charge inhérente des dizaines de topologies ;
• Utilisation flexible du spectre ;
• Consommation d'énergie ultra-faible : 2 mW à 1 Mbps, 6 μW à 1 kbps ;
• Faible coût des copeaux : ~2 – 5 USD pour la production de masse.

Mais, bien sûr, tout n'est pas si fluide...

En raison de la courte durée d'impulsion et du spectre ultra-large, le débit de l'UWB chute beaucoup plus (par rapport à la transmission à bande étroite) avec la distance .

En théorie, une large bande passante et une puissance élevée du signal (lorsque ce dernier n'est pas limité par la réglementation) peuvent interférer avec les systèmes et les lignes de communication existants .

En outre, la disponibilité du spectre dans un certain nombre de pays ( 12 pays , dont la plupart se trouvent dans l'ex-Union soviétique) est limitée par les agences d'État et les services de sécurité. En Russie, par exemple, les trackers AirTags sont obligés d'utiliser Bluetooth au lieu de l'UWB initialement conçu.

Méthodes de localisation UWB

Voyons comment la technologie met en œuvre l'un de ses principaux avantages - la détermination ultra-précise de la distance.

Gamme bidirectionnelle (TWR)

UWB utilise ToF (Time-of-Flight) - le temps nécessaire pour fournir des paquets "demande-réponse" - pour mesurer la distance entre les appareils, plutôt que RSSI (Received Signal Strength Indicator) , qui est utilisé dans d'autres normes.

Cette méthode calcule la distance entre le tag et l'ancre en déterminant le ToF puis en le multipliant par la vitesse de la lumière.

Le DS-TWR (Double-Sided Two-Way Ranging) plus complexe corrige implicitement les erreurs de décalage d'horloge mais nécessite plus de paquets de données et, par conséquent, consomme plus d'énergie :

ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)

Différence horaire d'arrivée (TDoA)

Bien sûr, la mesure ToF à l'aide d'une seule ancre ne donnera pas l'emplacement de l'étiquette, mais à l'aide de plusieurs ancres externes, l'UWB est capable de déterminer la position bidimensionnelle et tridimensionnelle de l'étiquette dans l'espace dans une certaine zone. En même temps, les paquets d'étiquettes sont échangés avec les ancres, et la différence de temps de réception de ces paquets est calculée.

Selon le côté réception, deux topologies sont reconnues :

• Tag-Side Time-Difference of Arrival (TS-TDoA) , comme par exemple dans le GPS ;
• Différence d'heure d'arrivée côté ancre (AS-TDoA) .

Différence de phase d'arrivée (PDoA)

Notez que le calcul ToF ne détermine que la distance, mais pas la direction. La méthode de différence de phase d'arrivée (PDoA) résout ce problème, ainsi que le problème de l'organisation d'infrastructures supplémentaires. Cela se fait avec deux antennes sur au moins un des appareils. Le déphasage du signal reçu sur les antennes permet de calculer l' angle d'arrivée du signal (Angle of Arrival, AoA).

Applications et cas d'utilisation

La plupart des applications de la technologie UWB utilisent soit ses capacités de sécurité fines, soit une combinaison des deux. Étant, pendant longtemps, attrayante principalement à des fins militaires et industrielles, la technologie a récemment trouvé une nouvelle mise en œuvre en raison de l'état de l'art actuel de l'électronique grand public : appareils portables, smartphones et infrastructure intelligente.

Capacités de portée fine

Avec UWB, la localisation précise à quelques centimètres de toutes sortes d'objets devient réelle.

Dans le domaine de la santé , UWB aide les gens à trouver les services nécessaires dans les hôpitaux, fournit au personnel des données basées sur la proximité, telles que les dossiers médicaux des patients, et localise les patients pour les soignants. Le suivi des actifs médicaux est également pratique lorsqu'il s'agit d'une recherche rapide de petits objets ou d'équipements coûteux et importants tels que les défibrillateurs.

Les propriétés du radar UWB sont utilisées dans la mesure à distance de paramètres vitaux tels que la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire qui trouvent également leur application dans les bâtiments intelligents avec détection de présence, babyphones, applications médicales et détection de chute.

La technologie a une application extrêmement large dans la navigation intérieure lorsque le guidage à travers différents types de locaux - centres commerciaux, hôpitaux, parkings, sites de production - est nécessaire.

UWB peut être utilisé lors d'une évacuation d'urgence en suivant et en traçant toute personne restant sur place.

La distanciation sociale est l’un des enjeux les plus pertinents en période de pandémie. Les badges et bracelets compatibles UWB peuvent avertir lorsque vous vous rapprochez et alerter en cas de violation de la zone de sécurité avec une précision inférieure à 10 cm.

Avec UWB, les processus de production peuvent être numérisés et optimisés grâce au suivi des outils et des équipements , ce qui améliore les taux d'utilisation des articles et permet de gagner du temps. Le site de production devient plus sûr avec des systèmes de détection anti-collision utilisant la méthode TWR d'UWB.

Et bien sûr, les étiquettes UWB déjà bien connues attachées aux porte-clés ou au sac à dos et associées à votre smartphone permettent de gagner du temps pour trouver des objets personnels importants.

Contrôle d'accès et télédéverrouillage passif

Avec le calcul du temps de vol, UWB assure une grande précision de télémétrie ainsi que la sécurité des données transmises, tandis que le calcul de l'angle d'arrivée (AoA) permet de définir la direction du mouvement. Par conséquent, les appareils compatibles UWB peuvent comprendre si un utilisateur s'approche d'une porte verrouillée ou en sort et déterminer de quel côté de la porte cela se produit.

Dans le cas du contrôle d'accès, UWB est utilisé en association avec d'autres protocoles , le plus souvent - Bluetooth. Bluetooth est utilisé pour lancer la télémétrie et transférer des données, tandis que UWB est directement responsable de la télémétrie.

La nouvelle couche physique (PHY) ajoutée dans IEEE 802.15.4z et liée à la protection cryptographique minimise le succès de Attaques MITM . Cela ouvre un grand nombre de possibilités : serrures intelligentes dans les appartements et les portes de garage, systèmes de contrôle d'accès physique sur les sites de production, services de location, clés numériques pour les véhicules et bien plus encore.

Début 2022, Samsung en collaboration avec Zigbang a annoncé la sortie d'un "serrure de porte intelligente" . Pour déverrouiller cette serrure, vous n'avez même pas besoin de sortir votre smartphone de votre poche.

En janvier 2021, Apple a annoncé sa fonctionnalité de clé de voiture numérique basée sur UWB et a confirmé qu'il ajoute une gamme plus large d'options de clé numérique et d'identification numérique à iOS 15 et à watchOS 8 pour les utilisateurs d'Apple Watch. Les Pixel 6 Pro et Pixel 7 Pro de Google prennent également en charge la clé numérique UWB, ainsi que la fonction "Partage à proximité" d'Android, qui vous permet de transférer des fichiers à courte distance d'un appareil à un autre.

Volkswagen et le plus grand fabricant de puces au monde, NXP suivre en proposant des fonctionnalités étendues comme la reconnaissance de la présence du siège enfant et la désactivation de l'airbag correspondant, la commande gestuelle de la porte de coffre, la détection automatique et l'extraction de l'attelage pour l'attelage à une remorque.

Les BMW X5 et X6 actualisés prendront en charge la fonction de clé numérique UWB, qui peut être partagée avec jusqu'à cinq personnes supplémentaires via une application native.

Les appareils UWB peuvent former une soi-disant "bulle de sécurité" autour d'une certaine zone, utilisée notamment pour déverrouiller automatiquement les appareils personnels. Quelques vidéos avec une démonstration du fonctionnement de telles "bulles":

La technologie peut être utilisée dans une variété d' applications WBAN . Dans le domaine de la surveillance de la santé, un réseau de capteurs UWB tels que l'électrocardiogramme (ECG), le capteur de saturation en oxygène (SpO2) et l'électromyographie (EMG) peut être utilisé pour développer un système de santé proactif et intelligent.

Multimédia, réalité augmentée et virtuelle

La faible valeur de latence (5-10 ms pour le streaming audio lors de l'utilisation de codecs et jusqu'à 2 ms pour l'audio non compressé) rend UWB attrayant pour une utilisation dans le streaming de données vidéo et audio, en VR et AR, et divers types de contrôleurs .

Les appareils UWB peuvent créer des expériences contextuelles basées sur la proximité et l'orientation qui sont utilisées dans les systèmes de vente au détail intelligents et de maison intelligente .

Les haut-parleurs Apple HomePod, HomePod mini et Nest de Google peuvent capter instantanément la musique diffusée sur un smartphone, un podcast ou une conversation téléphonique en cours lorsqu'il s'approche du haut-parleur (fonction "Handoff" d'Apple).

Un bon exemple d'appareil domestique intelligent est Télécommande intelligente Sevenhugs X . Sorti en 2016 ce produit était malheureusement en avance sur son temps. L'ensemble comprenait la télécommande et des ancres pour définir son orientation afin que le menu contextuel de l'appareil pointé par la télécommande soit appelé. Le principal inconvénient était le prix prohibitif : 399 $ au départ.

Les détecteurs de présence avec UWB peuvent être utilisés dans les systèmes d'éclairage professionnels des immeubles de bureaux . Allumer la lumière lorsqu'un mouvement est détecté permet d'économiser de l'électricité, et la haute sensibilité des capteurs UWB peut détecter même le moindre mouvement d'une personne assise tranquillement devant un ordinateur ou un téléphone et maintenir l'éclairage dans la zone souhaitée.

Le marketing ciblé propose aux clients des offres individuelles en fonction de leur itinéraire et de leurs préférences. Les entreprises peuvent bénéficier de l'analyse du trafic piétonnier et du comportement d'achat .

Automobile

Plusieurs cas pour l'automobile comprennent :

• Service voiturier sans conducteur et prise en charge : le conducteur peut laisser la voiture au bon endroit, et la voiture trouvera une place et se garera d'elle-même. Plus tard, grâce à une application sur le smartphone, le conducteur peut appeler la voiture pour être servi à l'endroit souhaité ;
• V2X* (communication véhicule à tout) et conduite autonome ;
• Clé de voiture numérique et diverses fonctions de confort, mentionnées précédemment ;
• La communication C2X (un réseau social pour les automobiles) peut réduire considérablement les accidents grâce aux communications entre les véhicules et les éléments de l'infrastructure de circulation.

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Les fonctions "Suivez-moi" et anti-collision utilisant la technologie UWB ont trouvé une application surprenante dans la valise intelligente Airwheel SR5 qui libère les mains du propriétaire et se comporte comme un "bon garçon" suivant "le papa" et évitant les obstacles.

En outre, UWB est un candidat technologique de premier plan pour les applications de micro-véhicules aériens (MAV).

Conclusion

Il est juste de dire que la norme UWB est prête pour un avenir radieux - en plus de nombreux cas d'utilisation b2b, il y a de fortes chances qu'elle devienne bientôt l'une des interfaces standard des smartphones, comme cela s'est produit avec Bluetooth et NFC. .

Prévision d'un CAGR du marché UWB de 16,06 % à 3,129 milliards USD d'ici 2026, tel que rapporté par « Research and Markets » en 2021 pourrait être doublé, voire triplé, au cas où UWB deviendrait l'une des interfaces standard - il apparaît déjà dans les smartphones phares et pourrait bientôt faire son chemin vers le milieu de gamme.

À pas un autre , nous avons examiné de près les développements UWB et avons participé à un certain nombre de projets alimentés par UWB, y compris des cas d'utilisation typiques, comme RTLS, ainsi que des implémentations plus rares du support, y compris le streaming audio. Serait heureux de discuter de vos besoins en produits!