Comment le contrôle de fréquence garantit la fiabilité et la sécurité des applications UWB

Développée pendant la Seconde Guerre mondiale pour sécuriser les communications et les systèmes radar, l'ultra-large bande (Ultra-Wide Band, UWB) a été interdite d'utilisation commerciale, la laissant largement inexploitée pendant de nombreuses décennies. Les réglementations fédérales publiées en 2002 ont permis d'étendre l'utilisation de l'UWB. Depuis lors, elle s'est imposée dans un nombre croissant d'applications commerciales, notamment dans les secteurs industriels, grand public, automobiles et des communications, qui exploitent ses capacités de suivi de localisation et de positionnement précis, ainsi que la transmission de données haute vitesse et la consommation d'énergie minimum qui vont de pair avec ce protocole sans fil.

Comme d'autres protocoles de communication sans fil à courte portée, tels que Bluetooth et Wi-Fi, l'UWB permet la création d'un réseau personnel (PAN) qui interconnecte les dispositifs électroniques et facilite la transmission de données dans le périmètre immédiat d'une personne. Au lieu d'envoyer des données via un réseau LAN ou WAN, un réseau PAN transmet des informations entre des dispositifs situés à proximité d'une personne.

Cependant, l'UWB diffère des autres technologies de transmission par plusieurs aspects clés, qui dynamisent sa mise en œuvre dans un nombre croissant d'applications sans fil grand public.

Figure 1 : La large gamme de fréquences sécurisées et la capacité de détection précise de l'UWB permettent un certain nombre d'applications sans fil grand public. (Source de l'image : Aker Technology)

La technologie UWB fonctionne à très haute fréquence et n'interfère pas avec les autres protocoles sans fil. Elle favorise des attributs tels que l'audio spatial, l'intégration de la maison intelligente et les systèmes de paiement sans contact, ce qui la rend particulièrement utile dans les véhicules et les dispositifs mobiles et grand public, tels que les smartphones et les étiquettes. Cette technologie permet d'activer des fonctionnalités avancées telles que l'accès mains libres sécurisé, la navigation en intérieur, le paiement sans contact, le partage d'identifiants et le suivi des articles.

Les avantages de l'UWB

Si le Bluetooth et le Wi-Fi se sont fait une place dans le monde des communications sans fil, la technologie UWB est en passe de dominer les applications fonctionnant dans une portée de 10 à 20 mètres car elle est plus rapide, plus sécurisée et extrêmement précise. Cela est dû en grande partie aux mesures du temps de vol (ToF).

Tableau 1 : La bande spectrale de 3,1~10,6 GHz de l'UWB éclipse celle du Wi-Fi et du Bluetooth, qui culmine à 2,4~5 GHz. En fonctionnant dans une gamme de fréquences plus élevée avec une bande passante supérieure, l'ultra-large bande peut transmettre une plus grande quantité de données de manière plus sécurisée, ce qui la rend idéale pour la transmission de données à haut débit et à courte portée. (Source de l'image : Aker Technology)

En mesurant avec précision le temps nécessaire à un signal pour se déplacer entre des dispositifs, la capacité ToF de l'UWB rend plus difficile l'accès ou la manipulation des communications UWB par un attaquant externe en raison de sa nature cryptographique, de la génération de nombres aléatoires et d'autres techniques de sécurité.

En plus d'une haute sécurité, la technologie UWB présente une basse consommation, une bonne immunité au bruit, un positionnement et un suivi de localisation précis ainsi que des signaux qui peuvent facilement pénétrer une variété de matériaux. L'UWB permet la transmission d'une grande quantité d'énergie de signal sans interférer avec la transmission conventionnelle à bande étroite et à ondes porteuses dans la même bande de fréquences.

Vitesse sans fil (données en temps réel, synchronisation précise) : Bien que le débit de données du Wi-Fi soit un peu plus élevé que celui de l'UWB, respectivement à 600 Mbps et 460 Mbps, les capacités de détection de type radar de l'UWB en font un choix efficace dans les applications sans fil. (Pour référence, le débit de données du Bluetooth est de 24 Mbps.) De plus, avec une portée nominale inférieure à celle du Bluetooth ou du Wi-Fi, l'UWB convient mieux aux applications à courte portée qui exigent une synchronisation précise et des transmissions de données en temps réel.

Précision (positionnement, suivi de localisation) : La précision de l'UWB pour localiser des dispositifs n'est égalée par aucune autre technologie sans fil à courtes distances. L'absence d'interférences avec d'autres transmissions radio et les rafales radio implique que l'UWB mesure efficacement les distances avec une précision de 10 cm à 30 cm, soit bien supérieure à la portée du Wi-Fi (2 m à 3 m) et du Bluetooth (1 m à 5 m).

Sécurité (intégrité des données, transmission sécurisée) : La technologie de transmission d'impulsions de l'UWB est résistante au bruit et à la réflexion, ce qui la rend hautement sécurisée pour de nombreuses applications. La connexion directe entre deux dispositifs et les propriétés de mesure précises permettent à l'UWB de se connecter à un dispositif et d'authentifier sa légitimité en temps réel sans que les ondes radio ne soient enregistrées ou relayées.

Rendement énergétique (faible fuite, consommation optimale) : Grâce à sa haute vitesse de transmission et à sa trame de synchronisation bien définie, l'UWB conserve mieux l'énergie que la plupart des protocoles à courte portée. L'UWB peut prendre en charge plusieurs modes basse consommation, y compris la mise en veille prolongée pour une optimisation encore améliorée de la consommation. Pour les petits dispositifs alimentés par batterie, comme ceux que l'on trouve dans les environnements UWB, la consommation d'énergie est un facteur crucial.

Les oscillateurs à quartz au service des applications UWB

L'UWB répond à de nombreuses exigences des applications sans fil à courte portée sur une large gamme de fréquences, mais cela implique également la nécessité d'un contrôle de fréquence précis pour garantir le positionnement précis, le suivi de localisation et les transmissions de données à haut débit qui rendent l'UWB si utile.

Tableau 2 : Quartz hautes performances typiques répondant aux exigences de contrôle de fréquence de l'UWB. Les quartz sont des dispositifs de contrôle de fréquence populaires utilisés pour garantir le contrôle du signal et de la synchronisation nécessaire à la transmission d'informations au bon moment et à la bonne vitesse. La stabilité, les caractéristiques de bruit de phase et le rendement énergétique du quartz peuvent avoir un impact sur la qualité et la fiabilité des systèmes de communication et de positionnement UWB. (Source de l'image : Aker Technology)

Un oscillateur stable fournit un signal d'horloge fiable et précis, qui garantit que les impulsions UWB maintiennent la forme et le spectre souhaités. En d'autres termes, la forme de l'impulsion générée par l'émetteur UWB est influencée par la synchronisation fournie par l'oscillateur.

L'instabilité ou la dérive de fréquence de l'oscillateur peut entraîner une distorsion du signal et des performances médiocres. Il est donc essentiel de choisir un quartz présentant la gamme de fréquences, la tolérance et la stabilité appropriées. D'autres paramètres clés sont le type de boîtier, la température de fonctionnement et la capacité de charge.

Principaux marchés UWB

Apparue pour la première fois sur l'iPhone 11, la technologie UWB a rapidement gagné du terrain dans un grand nombre d'applications basées PAN, notamment les étiquettes intelligentes et les points de référence dans les véhicules, ou ancres. La technologie UWB contribue à faire progresser les innovations technologiques sans fil intelligentes et à mieux automatiser le monde. Voici quelques autres façons dont l'UWB révolutionne divers marchés sans fil à courte portée (Figure 2) :

Industrie – La technologie UWB est utilisée dans le suivi des actifs, la localisation en intérieur, les systèmes de surveillance, les réseaux de capteurs sans fil et les applications de réseaux électriques intelligents. Elle peut fournir des informations précises sur la localisation du personnel et des équipements.

Communications grand public – La technologie est utilisée dans les smartphones, les dispositifs corporels, l'IoT, les systèmes de maison intelligente et les étiquettes intelligentes pour des connexions sans fil rapides et fiables entre des dispositifs à courte portée. L'UWB offre un suivi spatial plus précis, comme le positionnement précis en intérieur.

Automobile – Les systèmes d'entrée sans clé, l'accès sécurisé aux véhicules, les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) et le suivi utilisent tous l'UWB dans l'industrie automobile pour un positionnement précis.

Figure 2 : Applications UWB. (Source de l'image : Aker Technology)

Le contrôle de fréquence favorise les innovations sans fil

La demande croissante de connectivité sans fil, en particulier avec la prolifération des dispositifs Internet des objets (IoT) et le déploiement des réseaux 5G, impose de nouvelles limites aux données qui se déplacent dans les bandes de fréquences. L'infrastructure sans fil en pleine croissance repose sur les paramètres de performances critiques qu'offre l'UWB.

Fonctionnant sur une large gamme de fréquences, l'UWB permet la transmission d'une grande quantité d'énergie de signal sans interférer avec la transmission conventionnelle à bande étroite et à ondes porteuses dans la même bande de fréquences. Cette allocation de large bande passante requiert un contrôle de fréquence précis pour éviter les interférences avec d'autres systèmes sans fil fonctionnant dans les mêmes bandes de fréquences, et pour synchroniser les transferts de données et maintenir une communication fiable.

Conclusion

La technologie UWB permet une télémétrie sécurisée et une détection précise, créant une nouvelle dimension de contexte spatial pour les dispositifs sans fil. Elle permet la transmission d'une grande quantité d'énergie de signal sans interférer avec la transmission conventionnelle à bande étroite et à ondes porteuses dans la même bande de fréquences. L'UWB est la technologie du futur pour l'IoT, les dispositifs corporels, la localisation en temps réel, l'accès intelligent aux voitures, les panneaux de commande domestiques, les communications pair-à-pair, le déverrouillage automatique et la gestion d'accès. Et Aker est là avec son offre étendue de quartz de synchronisation.