Radio-Révolution dans le monde des porte-clés

Qui n’a jamais rêvé de pouvoir faire sonner son trousseau de clés perdu ? C’est ce que propose Apple avec ses Airtags et Samsung avec le Galaxy SmartTag+ ! Ces appareils utilisent un procédé particulièrement innovant : l’UWB, pour Ultra Wide Band. C’est une technologie radio utilisant des bandes « ultra-larges », pour des communications à courte distance et une localisation précise, à quelques centimètres près !

Bande « ultra-large » ?

On peut se demander si cette notion de bande « ultra-large » ne serait pas un simple argument commercial, pour dire que c’est encore mieux que la large bande… La réponse est non ! Et la différence entre systèmes à bande étroite, à large bande et à bande ultra-large répond à des définitions précises.

Les systèmes à large bande, à la différence des systèmes à bande étroite, ont comme particularité une perte de propagation qui varie à l’intérieur du canal : le signal occupe une bande plus large que la bande de cohérence du canal.

Du côté des systèmes à bande « ultra large », la notion de canal n’intervient plus. Ainsi, dans la recommandation UIT-R SM.1755, un système est qualifié « UWB » :

• si la bande occupée (à -10 dB) vaut au moins 20 % de la fréquence centrale ;
• ou si la bande occupée (à -10 dB) est supérieure à 500 MHz.

Pour donner un ordre de grandeur, ces propriétés sont très différentes de celles de deux technologies bien connues :

• en WiFi (canal 6, considérant 20 MHz de bande à 2,437 GHz), la bande occupée vaut 0,8 % de la fréquence centrale ;
• en 4G (en considérant 20 MHz de bande à 801 MHz), la bande occupée vaut 2,5 % de la fréquence centrale.

Toutefois, l’usage commercial du terme UWB ne recoupe pas exactement cette définition scientifique. Ainsi, à l’heure actuelle, UWB fait généralement référence à des appareils mettant en œuvre la couche physique UWB du standard IEEE 802.15.4.

Localisation précise, faible consommation, bas débit !

Du fait de la dualité temps-fréquence, avec une (très) large bande occupée, les impulsions sont nécessairement de (très) courte durée. Cela rappellera à certains le principe des radars. Et à raison, car un des principaux avantages de l’UWB est de faciliter la localisation d’objets (par exemple, des porte-clés !). Les puissances en jeu sont bien sûr beaucoup plus faibles que celles de radars aéronautiques, maritimes ou météorologiques – et la portée s’en trouve d’ailleurs réduite à quelques centaines de mètres.

La forme d’onde du standard IEEE 802.15.4, appelée HRP (high repetition pulse), permet à la fois le transfert de données et la mesure précise du temps de propagation (et donc, des distances entre l’émetteur et le récepteur). En associant cette mesure à une estimation de l’angle d’arrivée du signal reçu grâce à son réseau d’antennes, votre smartphone dernier cri saura ainsi vous guider vers ce trousseau de clés malencontreusement égaré…

Côté communication de données, la modulation associée à l’HRP est la BPM-BPSK (burst pulse modulation – binary phase shift keying). Il s’agit de l’association de deux modulations présentant une faible efficacité spectrale (elles ne permettent pas de transporter beaucoup de débit par Hertz), mais pouvant être démodulées à faible rapport signal-à-bruit. Leur complexité réduite permet une mise en œuvre de manière compacte avec une bonne efficacité énergétique. On retrouve d’ailleurs des modulations similaires dans nombre d’objets à faible consommation (clés de voiture, capteurs de température, etc.), mais généralement dans le cadre de communications à bande étroite.

Depuis des décennies, l’utilisation de bandes plus larges a été motivée par la recherche de communications plus rapides. Mais, avec ces systèmes à bande « ultra-large », l’industrie des radiocommunications nous rappelle que large bande n’est pas toujours synonyme de haut débit. De nombreuses applications professionnelles exploitent déjà l’UWB en fonction des caractéristiques des bandes sollicitées : localiser des fils ou des tuyaux dans une cloison, ou encore des chariots élévateurs au sein d’un entrepôt. Airtags ou SmartTags constituent ainsi un premier exemple grand public de l’utilisation de formes d’ondes associant localisation et transfert de données.