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Zoom sur les équipements radio à bande ultralarge (UWB)

06/10/2021

Les équipements radio à bande ultralarge (UWB) se caractérisent par des émissions étalées sur plusieurs GHz avec une densité de puissance très faible, permettant des communications à courte portée mais aussi de nombreuses applications de localisation. Cet article décrit le cadre réglementaire européen UWB, notamment dans les bandes de fréquences en-dessous de 10,6 GHz, les principales applications, et aborde les travaux en cours sur ces sujets au niveau européen (CEPT).

Les émissions UWB, par nature, peuvent perturber simultanément de nombreux systèmes radios : récepteurs de radiodiffusion, réseaux mobiles, RLAN, boucles locales radio, faisceaux hertziens, radars, liaisons satellites, capteurs passifs de satellites d’observation, stations de radioastronomie… Créer un cadre réglementaire pour l’UWB a donc nécessité depuis les années 2000 de nombreuses études de compatibilité pour déterminer des conditions techniques harmonisées protégeant tous ces services.

Les Etats-Unis avaient, dès février 2002, ouvert la voie à l’utilisation de l’ensemble de la bande 3,1-10,6 GHz par l’UWB avec une densité spectrale de puissance (p.i.r.e.) maximale de -41,3 dBm/MHz. Cette réglementation (voir FCC Part 15 Subpart F - Ultra-Wideband Operation) autorisait ainsi des systèmes de communication grand public, en intérieur ou portables, avec une largeur de bande d’au moins 500 MHz. Des dispositions permettaient par ailleurs des applications d’imagerie radar réservées à des services gouvernementaux et à des industries spécialisées (génie civil, mines, routes, secteur médical…).

Compte tenu des usages radio distincts, l'Europe a adopté en 2006 sa propre réglementation, dite générique (ECC/DEC/(06)04), ouvrant à l’UWB les bandes de fréquences 3,1-4,8 GHz et 6-9 GHz avec une p.i.r.e. maximale de -41.3 dBm/MHz, et sous réserve de mise en œuvre de techniques de réduction de brouillage (DAA, LDC) dans les bandes 3,1-4,8 GHz et 8,5-9 GHz.

Une réglementation générique qui facilite l’essor d’applications bas débit

La réglementation générique UWB répondait en premier lieu à l’hypothèse d’un marché de masse pour des communications à très bas débit dans des réseaux personnels sans fil (WPAN) : composants dans les équipements informatiques, téléphones mobiles et électronique grand public.

Exemples de réseaux WPAN  - Source : doc. CEPT ECC TG3#10_42-A5_R0, 07/2005

Exemple 1 : téléphone mobile et ses périphériques

Exemple 2 : remplacement des câbles raccordant des périphériques à un ordinateur

 

Néanmoins, ce marché, objectif initial des « super bluetooth » et autres « wireless USB », ne s’est pas développé comme prévu.

Pour autant, cette réglementation générique UWB a permis l’éclosion d’applications « bas débit » (réseaux de capteurs, applications de localisation…) sous régime d’autorisation générale.

Cette réglementation constituait le résultat de compromis consentis par les différents partenaires européens. En effet, le risque de prolifération incontrôlée des équipements UWB était, depuis l’origine, un défi majeur pour les gestionnaires de fréquences. Le principe retenu a été que la réglementation UWB devait permettre tout type d’applications, mais seulement si les conditions techniques et opérationnelles d’utilisation des fréquences étaient respectées. Elle ne restreint pas la notion d’ultra large bande (UWB) : tous les équipements utilisant plus de 50 MHz de largeur de bande supérieure sont visés. Certaines dispositions visent à limiter les utilisations UWB en extérieur, notamment en interdisant la mise sur le marché de certaines catégories d’équipements exclusivement conçus pour l’outdoor. L’usage UWB fixe en extérieur ou monté sur un drone est ainsi prohibé, tandis que les installations dans les trains, véhicules terrestres ou avions sont soumises à des exigences réglementaires spécifiques additionnelles.

Ces conditions techniques et réglementaires, établies par la CEPT et récemment révisées, ont été transposées dans la décision d'exécution (UE) 2019/785 de la Commission du 14 mai 2019 relative à l'harmonisation du spectre radioélectrique pour les équipements utilisant la technologie à bande ultralarge.

Répondre à des besoins spécifiques 

L’UWB pose des problèmes différents selon le type d’équipement considéré : les solutions ne sont pas les mêmes s’il est destiné à un marché de masse ou conçu pour un usage professionnel spécifique, exploité avec ou sans licence ou encore réservé à des forces armées ou de police.

Des demandes de l’industrie pour utiliser l’UWB hors du champ de la « réglementation générique » sont apparues : transmission dans environnements complexes sans visibilité directe, localisation de précision, imagerie radar. Elles ont conduit à encadrer les conditions d’utilisation.

En complément, la CEPT a donc élaboré plusieurs dispositions ad-hoc sous 10,6 GHz, selon les applications concernées :

  • « niveaumétrie » (TLPR/LPR) ;
  • imagerie (GPR/WPR, analyse de matériau) ;
  • localisation (LAES, LT1 et LT2) ;
  • installations à bord de véhicules ;
  • installations à bord d’avions.


La « niveaumétrie »

Le CEPT a examiné dès 2005 la demande d’applications industrielles pour déterminer le niveau de cuves (radars de cuve), qui ciblait plusieurs bandes de fréquences déjà utilisées dans l’industrie : 4,5-7 GHz (“5,8 GHz”), 8,5-11,5 GHz (“10 GHz”), 24,05-27 GHz (“25 GHz”), 57-64 GHz (“61 GHz”) et 75-85 GHz (“77 GHz”).

Exemples de radars de cuve - Source ETSI TR 102 347 V1.1.2 (2005-01)

Pour la bande dite « 10 GHz », la réglementation a été limitée à la gamme 8,5-10,6 GHz, compte tenu de la sensibilité aux brouillages des services scientifiques dans la bande 10,6-10,7 GHz. Les émissions dans cette bande adjacente sont en outre limitées à -60 dBm/MHz p.i.r.e. pour protéger la radioastronomie (bande passive 10,68-10,7 GHz).

La réglementation autorise également des équipements de mesure de jauge (LPR), dont le déploiement n’est pas limité à l’intérieur d’une cuve atténuant le signal. Les émetteurs LPR peuvent utiliser les bandes suivantes : 6-8,5 GHz, 24,05-26,5 GHz, 57-64 GHz et 75-85 GHz, mais ils doivent respecter des conditions plus strictes afin notamment d’assurer la protection de la radioastronomie, et notamment un pointage vers le sol ou une zone d’exclusion de 4 km.

Radars à pénétration de surface

Ces équipements utilisent des bandes de fréquences entre 20 MHz et 12,4 GHz ; ils sont exploités depuis le début des années 1980 dans un contexte professionnel dans le cadre de méthode de reconnaissance non-destructive.

Exemple de radar à pénétration de surface permettant de sonder le sol (ex : route) - (Source : ETSI TR 101 994-2 V1.1.2)

Analyse des matériaux

Des applications professionnelles de détection d’objet ou d’analyse des matériaux utilisent des bandes de fréquences entre 2,2 et 8,5 GHz. 

Analyse de matériaux (ex : mur) - (Source ETSI TR 102 495-1 V1.1.1)

Détection d’objets - (Source : ETSI TR 102 495-2 V1.2.1)

Localisation

D’autres applications UWB permettent la localisation très précise et le traçage des personnes à l’intérieur d’un immeuble/bâtiment ou en extérieur (non autorisé en France). Les cas d’usages sont multiples : pour les personnes, il peut s’agir des milieux hospitaliers, du personnel de sécurité, de pompiers dans un incendie, de travailleurs isolés ou devant évoluer dans des environnements dangereux. Mais ce type d’application couvre aussi le traçage des objets dans une usine ou sur un site logistique.

Une percée dans le domaine du transport

Les applications UWB se sont également développées dans le domaine des transports avec de multiples usages :

  • systèmes de tarification électronique pour les transports en commun ;
  • systèmes de surveillance de la pression des pneus (TPMS) ;
  • réseau de télémétrie à l'intérieur des véhicules ;
  • systèmes d'alarme passagers ;
  • remplacement de câble ;
  • communication entre camion et remorque…


Le cadre européen a été adapté (décision (UE) 2019/785) en tenant compte, par exemple, des fortes variations d’atténuation engendrées par l’habitacle du véhicule.

Prise en compte des facteurs d’atténuation de l’habitacle - (Source ETSI TR 102 495-7 V1.2.1)

A bord des avions, ces solutions peuvent se substituer au câblage traditionnel pour la transmission d’image ou de vidéo, contribuant à la réduction de consommation de kérosène.

Faire face à l’appétence de nouveaux secteurs

Installations fixes, transports intelligents

L’appétence de l’industrie des installations fixes impose de nouvelles études et analyses sur les conditions d’utilisation des fréquences, tout en protégeant les usages en place. Elles portent sur :

  • les installations fixes / quasi-fixes en intérieur pour permettre la localisation dans des espaces de grande dimension (plateforme logistique, hangar, salles de concert…) ;
  • les installations fixes en extérieur : gestion de l’éclairage urbain, détection d’intrusion, localisation en extérieur ;
  • les systèmes de transport intelligent : localisation de précision pour gérer le trafic dense aux croisements.


Ces demandes remettent en cause les limitations imposées jusqu’à présent pour des usages UWB en extérieur. Les gestionnaires du spectre s’investissent actuellement afin de faire évoluer la réglementation avec de nouvelles techniques de réduction de brouillages ou de contrôle d’équipements quasi fixes et pour étudier les possibilités d’augmenter la puissance émise dans certaines bandes de fréquences (6-8,5 GHz).

Le défi des scanners de sécurité

Des études sont actuellement en cours en Europe afin de relever le défi des scanners de sécurité

Scanner de sécurité - (Source: Draft ETSI TR 103 730)

Diverses solutions radio (60 GHz, THz…) ont été mises en œuvre jusqu’à présent pour ce type d’application. Elles présentent un défaut majeur : le temps d’arrêt imposé pour l’examen. 

La solution radio UWB, exploitant une bande très étendue de 3,6 à 12,4 GHz, permettrait un contrôle sans imposer cet arrêt, fluidifiant ainsi le contrôle du trafic de passagers avant l’embarquement, et une fouille rapide sans recours à un agent de sécurité. Exploité à l’origine au sein d’un aéroport ou à l’entrée de bâtiments publics, l’usage dans un contexte de sécurité renforcé pourrait être élargi à de nombreux domaines, comme par exemple à l’entrée de stades ou salles de concert.

Ces perspectives soulèvent une forte attente alors que le cadre réglementaire UWB n’est pas encore adapté et que la bande ciblée impacterait de nombreux services radio. Par exemple, les émissions intentionnelles empiéteraient sur la bande passive 10,68-10,7 GHz préservée jusqu’à présent. 

Initialement développée pour des usages professionnels très spécifiques, la réglementation UWB a évolué pour encadrer des applications centrées vers des secteurs industriels ou professionnels. Les gestionnaires européens font face à ce nouveau défi alors qu’un cadre réglementaire vient d’être adopté aux Etats-Unis. Les débats des prochains mois au sein de la CEPT s’annoncent très animés. L’ANFR y contribue très activement. 

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Retrouvez l’intervention de @GillesBregant dans la matinale de @SudRadio ce matin, sur le brouilleur d’ondes à Clermont-Ferrand. Chaque année, l’ANFR traite environ 2000 cas de brouillages de fréquences sur le territoire.
Pour 🎧l'ITW complète c'est ici ⤵️
https://t.co/0RZLq6d9IC https://t.co/Zn4BRN0w9a

ANFR a Retweeté

[#SudRadio] @GillesBregant, DG de l'@ANFR

🗣️ "Un habitant de #Clermont avait installé un brouilleur assez puissant pour perturber 1/4 de la ville ! Soit disant, il voulait perturber le wi-fi de son voisin. Rappelons tout de même qu'un brouilleur est interdit en France" https://t.co/wPdnUenDIL

Un mystérieux brouillage détecté et neutralisé à Clermont-Ferrand https://t.co/vHIeivaA4p

Vrai sujet. On voit fleurir de plus en plus ce type de d’équipements dans des zones réputées pour servir de lieu de répartition d’une grosse livraison, afin de faire tomber les réseaux (et donc rendre inexploitables les données de localisation) le temps de l’opération. https://t.co/FMDZZDWws4

#lesEnquêtesANFR
L’@anfr a été saisie par 2 opérateurs de téléphonie mobile pour résoudre un cas de brouillage particulièrement sensible au vu de son ampleur à Clermont-Ferrand et ses environs : 24 sites mobiles étaient perturbés ! En savoir plus⤵️
https://t.co/HAJmtzy6sZ https://t.co/OuFKPQMbY3

@GillesBregant Bravo pour ces efforts d’information au public qui contribuent par la transparence à une plus grande confiance dans ces équipements essentiels.

Désormais, https://t.co/qJEHKcKuZJ propose une synthèse immédiate des émetteurs installés dans la commune, le département ou la région de votre choix ! https://t.co/vgo8vc1fCF

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