UWB – Le premier choix pour les systèmes RTLS et les maisons intelligentes

L'ultra-large bande ou UWB est une technologie radio destinée aux applications à courte portée. Elle permet une localisation très précise avec une faible puissance de transmission.

L'UWB est souvent assimilée au RTLS, une technologie de localisation en intérieur. Cela était certainement vrai par le passé. Cependant, de nouveaux domaines d'application ont vu le jour ces dernières années. De plus en plus d'appareils finaux intègrent désormais des puces UWB.

L'UWB peut faire bien plus que simplement localiser avec précision.

L'UWB se distingue par sa grande précision et ses nombreuses nouvelles applications

Qu'est-ce que l'UWB ?

L'UWB se caractérise par une faible puissance d'émission combinée à une large gamme de fréquences (entre 3,1 et 10,6 GHz aux États-Unis et entre 6,0 et 8,5 GHz en Allemagne). Elle ne repose pas sur des ondes radio modulées qui transmettent des données codées, comme c'est le cas avec d'autres technologies radio. L'UWB transmet des informations sous la forme d'impulsions individuelles faibles. La puissance de transmission est limitée à 10 nanowatts et les impulsions sont envoyées toutes les quelques nanosecondes, ce qui permet à l'UWB d'atteindre une précision en temps réel.

Bien que l'UWB soit active dans la même gamme de fréquences que de nombreuses autres technologies radio (par exemple, le WLAN, le Bluetooth, les communications mobiles), elle ne génère aucune interférence dans la bande en raison de sa faible puissance de transmission. Il en va de même dans le cas inverse : les transmissions UWB ne sont pas perturbées par d'autres transmissions. Cela fait de l'UWB une technologie très fiable.

Méthode de transmission « superposition »

La méthode de transmission de l'UWB est appelée « superposition », car les impulsions du signal transmis se superposent aux signaux également présents dans la bande de fréquences. Le récepteur filtre les signaux entrants en fonction de la forme des impulsions plutôt que de la fréquence, comme c'est généralement le cas. Pour éviter les interférences dues à la propagation par trajets multiples, les signaux sont synchronisés.

Courte portée

La portée de l'UWB est relativement faible, car il doit toujours y avoir une ligne de visée dégagée entre l'émetteur et le récepteur. Les transpondeurs UWB ont une portée allant jusqu'à 20 mètres à l'intérieur, jusqu'à 35 mètres chez certains fabricants, et jusqu'à 200 mètres à l'extérieur. Les transpondeurs UWB ont en fait été utilisés jusqu'à présent pour des distances de mesure plus courtes et comme substitut aux câbles.

Durée de vie d'un transpondeur UWB

La puissance autorisée pour une transmission UWB est de 0,5 mW maximum lorsque toute la bande est utilisée, mais elle est généralement inférieure. Presque toutes les implémentations utilisent une bande passante inférieure à 1 000 MHz, ce qui correspond à un maximum de 0,074 mW. À titre de comparaison, un téléphone portable 4G/LTE émet avec une puissance de 200 mW. La durée de vie de la batterie d'un transpondeur UWB peut donc être supérieure à 3 ans. Alors que dans un entrepôt, le processus de suivi est effectué à une fréquence de 1 Hz, dans un scénario à forte mobilité, une fréquence de transmission de 1 kHz est nécessaire. Dans ce cas, la durée de vie de la batterie est considérablement réduite.

Localisation précise en temps réel avec l'UWB

L'UWB dans l'industrie et la logistique

L'UWB est connue comme une technologie de localisation en temps réel (RTLS) à courte portée. Par rapport à d'autres technologies radio, l'UWB atteint une précision de positionnement supérieure, de l'ordre de quelques centimètres. Cela est possible car ce n'est pas la puissance du signal qui est mesurée, mais le temps de propagation du signal entre l'émetteur (le transpondeur ou le traceur UWB) et au moins trois récepteurs (appelés ancres).

Le transpondeur UWB transmet un signal qui est reçu différemment par toutes les ancres proches en fonction de la distance. La différence de temps est multipliée par la vitesse constante de la lumière dans l'espace et les coordonnées de l'émetteur sont calculées.

La précision de la localisation est particulièrement avantageuse dans les environnements où les signaux GPS/GNSS sont bloqués (par exemple à l'intérieur). Dans ces applications, elle permet de localiser et de suivre les marchandises lors de leur transport dans les entrepôts et les installations de production. L'UWB reprend également en partie les fonctions d'une étiquette RFID. BMW, par exemple, utilise l'UWB sur sa chaîne de production. Skoda et SCANIA suivent leurs camions industriels avec l'UWB afin d'éviter les encombrements, d'accroître la sécurité et de créer une transparence entre l'entrepôt et l'atelier.

L'avenir

L'UWB est considérée comme une technologie clé dans l'usine du futur. C'est avant tout la robustesse du signal et le fait que de nombreux cas d'utilisation peuvent être mis en œuvre avec cette technologie sans fil qui la rendent très attrayante.

Combinaison : RFID et UWB

La synergie entre la RFID UHF, la NFC et l'UWB dans le transpondeur K-RTLS permet d'enregistrer avec précision la position des conteneurs ou des chariots industriels, tout en continuant à utiliser l'infrastructure RFID existante afin de protéger l'investissement réalisé », explique Michael Kaiser.

« Alors que la technologie RAIN RFID est utilisée depuis longtemps dans l'industrie et la logistique comme méthode d'identification optimisée en termes de coûts, la localisation basée sur l'UWB est encore un sujet relativement nouveau dans le secteur de l'identification automatique. Cependant, lorsqu'il est utilisé correctement, le système K-RTL de Kathrein peut combler le fossé entre le marquage RFID à faible coût et la localisation très précise avec l'UWB. »

Michael Kaiser - Directeur Gestion des produits et innovations

Applications pour smartphones

UWB et maisons intelligentes

Applications pour smartphones

Depuis 2019, les iPhone, certains smartphones Samsung, certains ordinateurs portables Lenovo, les smartphones Microsoft et le Google Pixel Phone sont équipés d'une puce UWB. Les applications sont nombreuses et variées. Au lieu d'un porte-clés dont le signal RFID peut être copié, facilitant ainsi le vol de voiture, le téléphone peut désormais ouvrir et démarrer la voiture. Il existe des applications de paiement mobile utilisant l'UWB : tout récemment, la banque ING s'est associée à NXP Semiconductors et Samsung pour tester la première application de paiement peer-to-peer basée sur l'UWB.

Baptisée NEAR, elle permet aux utilisateurs de transférer de l'argent en pointant simplement leur téléphone vers le smartphone d'une autre personne. L'application entrera dans sa prochaine phase pilote à l'été 2022. Apple utilise également l'UWB pour AirDrop : les transferts de fichiers sont lancés avec l'UWB, qui se connecte ensuite pour accélérer les transferts. L'AirTag d'Apple est également basé sur l'UWB.

La maison intelligente

Les traceurs RTLS peuvent être facilement combinés avec des capteurs pour des applications domotiques. Les puces UWB de Novelda, en Norvège, sont utilisées dans un babyphone.

Associé à des capteurs de mouvement et de respiration, le moniteur mesure les mouvements minimaux ou l'absence de mouvement, et contribue à prévenir le syndrome de mort subite du nourrisson. Les adultes peuvent utiliser des appareils similaires pour détecter l'apnée du sommeil.

Le fabricant chinois de smartphones Xiaomi propose des applications pour la maison intelligente via smartphone. Les appareils compatibles UWB apparaissent immédiatement dans un affichage de contrôle lorsque le smartphone est pointé vers eux. Les téléviseurs, les haut-parleurs, mais aussi les robots aspirateurs, les climatiseurs ou les appareils électroménagers peuvent être commandés de cette manière. La puce UWB transforme le smartphone en une sorte de télécommande universelle.

« La navigation intérieure rendue possible par le système RTLS UWB, associée à la gestion des identifiants mobiles, présente un énorme potentiel dans les immeubles de bureaux, les hôpitaux, les magasins, les aéroports, les environnements industriels et logistiques. Il s'agit d'une technologie relativement inexploitée qui va révolutionner les interactions entre l'homme et les infrastructures, tout comme l'a fait le GPS il y a 30 ans. »

Carl Fenger - Responsable de la communicationtechnique

Entretien avec Tim Harrington

Impressionné par la précision du positionnement

1. L'UWB Alliance est une organisation relativement jeune. Quand et pourquoi a-t-elle été fondée ?

L'UWB Alliance a célébré sa réunion inaugurale en mars 2018. J'étais président du groupe de travail IEEE 802.15.4z, où nous avons travaillé à l'amélioration des normes UWB. À environ six mois de la publication de la norme .4z, plusieurs entreprises du groupe de travail ont décidé de poursuivre leur collaboration au sein d'un nouveau forum. C'est ainsi qu'est née l'UWB Alliance.

2. Quels sont les objectifs de l'UWB Alliance ?

En tant qu'organisation, notre objectif est de faire évoluer la réglementation aux États-Unis, dans l'Union européenne et dans d'autres régions réglementées. Je suis également vice-président de l'ETSI TGUWB européen, où nous nous concentrons également sur l'UWB.

L'Alliance se consacre à l'élargissement de l'environnement réglementaire pour les produits UWB et à l'élaboration de stratégies de coexistence pour le partage du spectre avec d'autres appareils et services RF. Les membres et le personnel travaillent également avec l'IEEE.

3. Puisque vous mentionnez le partage du spectre avec d'autres appareils RF, la technologie UWB provoque-t-elle des interférences ?

Ce n'est pas le cas, mais je comprends pourquoi vous pouvez le penser. Ces bandes sont déjà occupées par de nombreux utilisateurs. Mais l'UWB est différente. La plupart des technologies utilisent des ondes radio modulées comme supports pour les données codées. L'UWB est extrêmement faible en puissance et transmet de petites unités d'information avec des impulsions de quelques nanosecondes qui chevauchent d'autres transmissions. Comme les impulsions UWB génèrent un bruit similaire à celui d'un ordinateur, elles peuvent facilement coexister dans la bande de fréquences.

La méthode des impulsions garantit que les signaux UWB n'interfèrent pas avec d'autres technologies sans fil et résistent à leurs interférences. C'est ce qui rend l'UWB si robuste.

4. À quoi peut donc servir l'UWB ?

Lorsque cette technologie a été approuvée pour la première fois au début des années 2000, elle était utilisée pour des applications à petite échelle. Elle était principalement utilisée dans l'industrie et, dans une moindre mesure, dans le sport. Avec la norme IEEE 802.15.4f, l'UWB a été utilisée pour le suivi sportif dans tous les stades de la NFL. La NFL suit les joueurs et le ballon. Le ballon est suivi environ 2 000 fois par seconde lorsqu'il est lancé dans les airs, et les joueurs sont suivis environ 12 fois par seconde. Le suivi a donc été une application clé. Cependant, avec l'intégration dans les smartphones par pratiquement tous les grands fabricants, la gamme d'applications s'est considérablement élargie.

5. Pourquoi l'UWB est-elle plus efficace que les autres technologies en matière de suivi ?

Elle est tout simplement extrêmement précise. Je travaillais sur le suivi avec la technologie à large bande dans une entreprise appelée WhereNet, qui a été rachetée par Zebra Technologies. Cette technologie fonctionnait dans la bande 2,4 GHz, elle ressemblait donc à la RFID, mais elle pouvait faire beaucoup plus que la RFID. Avec AIM, nous l'avons appelée « Real Time Locating Service » (service de localisation en temps réel), ou RTLS. Ce fut le début des applications industrielles et militaires, ainsi que de la logistique. À l'époque, j'étais très enthousiasmé par la grande précision de localisation. À 2,4 GHz, nous ne pouvions obtenir qu'une précision de 30 cm, mais aujourd'hui, nous parlons d'une précision d'environ 1 cm avec l'UWB.

6. Existe-t-il d'autres utilisations de l'UWB en dehors du suivi ?

Oui, bien sûr ! L'UWB est désormais très répandue. Les iPhone sont équipés de l'UWB depuis la série 11, et les appareils Samsung sont également compatibles avec l'UWB. Au lieu d'un porte-clés, le téléphone peut désormais ouvrir et démarrer la voiture. Les paiements mobiles sont actuellement testés avec l'UWB. Apple utilise également l'UWB pour AirDrop et AirTag. Il existe également de nombreuses applications pour la maison intelligente.

7. L'UWB est-elle toujours utilisée dans la fabrication industrielle ?

Oui, les transpondeurs UWB sont notamment utilisés dans la fabrication automobile. BMW, par exemple, l'utilise sur sa chaîne de montage. Différents véhicules arrivent sur la chaîne et les réglages de couple des outils d'assemblage sans fil doivent être différents pour chacun d'entre eux. C'est pourquoi les véhicules sont équipés de balises UWB à l'avant. Le système UWB identifie chaque véhicule et envoie un message qui ajuste automatiquement les réglages de couple sur la chaîne pour ce type de véhicule, ce qui permet de gagner beaucoup de temps.

8. Alors, que diriez-vous : l'histoire de l'UWB est-elle une réussite ?

C'est vraiment ce qu'il semble à ce stade ! Jusqu'en 2019, seules quelques dizaines de milliers de puces et d'appareils UWB étaient vendus chaque année. La demande a considérablement augmenté. En 2020, l'iPhone 11 s'est vendu à 64 millions d'exemplaires. Si l'on ajoute les modèles 12, 13 et Samsung 21+, on atteint plusieurs centaines de millions.