Ultra-wideband (UWB, bande ultra-large)

Implémenter les dernières normes pour la localisation et l'estimation de la distance à haute résolution et courte portée

La norme ultra-wideband (UWB) est la norme de télécommunications la plus utilisée pour la localisation et l'estimation de la distance à haute résolution et courte portée ainsi que pour la communication de données. UWB est une technologie à base d'impulsions radio avec une bande passante minimum de 500 MHz, qui fonctionne à la fois dans les bandes sub-GHz et comprises entre 3,1 et 10,6 GHz.

UWB possède aussi une densité spectrale de puissance maximale de -41,3 dBm/MHz sur l'ensemble des fréquences, très inférieure à celle des technologies WiFi, Bluetooth®, Zigbee® et GPS, et évite les interférences avec ces signaux radio pour supporter les communications à courte portée. La technologie ultra-wideband utilise une impulsion courte (< 2 ns) pour l'émission, ce qui la rend insensible à l'évanouissement dus aux trajets multiples et permet son utilisation dans des applications de localisation et d'estimation de la distance.

Parmi les autres applications supportées par UWB, citons :

  • Le contrôle des accès sécurisé
  • Les paiements sans contact sécurisés
  • Les capteurs sans fil pour la santé
  • La communication device-to-device

Certaines des caractéristiques UWB permettant ces fonctionnalités sont :

  • Une bande passante comprise entre 500 MHz et 1,3 GHz ; une durée de l'impulsion < 2 ns
  • La sécurisation des communications par STS (Scrambled Timestamp Sequence)
  • Une fréquence de répétition des impulsions radar (PRF, Pulse Repetition Frequency) allant de 3,9 MHz à 249,6 MHz pour différentes conditions de canal, avec une pointe à 499,2 MHz
  • Des schémas de modulation et des intervalles de garde personnalisés pour éviter les interférences et les effets des trajets multiples
  • Des codes de Hamming étendu (SECDED, Single Error Correction and Double Error Detection) pour le préambule, et un code de Reed-Solomon pour la charge utile, avec un code convolutif de rapport  ½ et une longueur de contrainte de 3 ou 7

UWB avec MATLAB

Vous pouvez utiliser Communications Toolbox™ de MATLAB® et les bibliothèques Zigbee® et UWB afin d'implémenter et tester des fonctionnalités UWB en utilisant des exemples de référence livrés sous forme de code MATLAB ouvert. Vous pouvez utiliser MATLAB pour implémenter le dernier amendement ultra-wideband (15.4z) ou la version précédente, 15.4a. Vous pouvez également utiliser MATLAB pour simuler différents algorithmes de localisation et d'estimation de la distance avec la génération de formes d'onde UWB, la simulation de bout en bout d'un émetteur-récepteur UWB, et des exemples de localisation et d'estimation de la distance.

Spécifications UWB

Les spécifications ultra-wideband ont été initialement proposées dans l'amendement 15.4a de la norme IEEE 802.15.4a. Cet amendement spécifie la couche physique (PHY) de fréquence de répétition haut débit (HRP). La couche PHY de fréquence de répétition bas débit a été ensuite introduite dans l'amendement 15.4f. La dernière amélioration a été proposée dans l'amendement 15.4z, qui ajoute aux HRP existants et aux PHY-LRP des modes pour les dispositifs dotés de capacités améliorées d'estimation de la distance et pour les fonctionnalités de sécurité.

MATLAB propose des exemples implémentant ces différents modes :

  • Fréquence de récurrence de base (BPRF), où la PRF moyenne est de 62,4 MHz
  • Fréquence de récurrence élevée (HPRF), où la PRF moyenne est soit de 124,8 MHz, soit de 249,6 MHz

Le champ STS (Scrambled Timestamp Sequence) est une fonctionnalité de sécurité introduite par la norme IEEE 802.15.4z afin d'améliorer l'intégrité des données. L'émission du champ STS est facultative pour les modes BPRF et HPRF.

La Figure 1 illustre le symbole et le schéma de modulation de la norme 802.15.4a. Le bit systématique du codeur convolutif est utilisé pour vérifier l'un des deux intervalles possibles pour la modulation de type BPM (Burst Position Modulation) (TBPM). L'émission ne peut avoir lieu que dans le premier ou le troisième quart-temps. Après un étalement en NCPB (Chips Per Burst), le bit de parité est utilisé pour moduler les impulsions ultra-wideband avec une modulation BPSK (Binary Phase Shift Keying). La position du burst est identifiée grâce à une valeur entière construite à partir de la séquence d'étalement. Chaque émission est complétée avec un intervalle de garde. L'exemple MATLAB intitulé HRP UWB IEEE 802.15.4a/z Waveform Generation modélise ces aspects du signal.

Figure 1 Modulations de type BPM et BPSK dans la norme IEEE 802.15.4a.

Figure 1. Identification des modulations de type BPM et BPSK dans la norme IEEE 802.15.4a.

Le Tableau 1 compare les amendements UWB à la norme IEEE 802.15.4.

Amendements UWB Débit de données Bande (GHz) Modulation Cas d'utilisation
15.4a < 27 Mbps < 1 et de 3,1 à 10,6 Burst Position Modulation (BPM) et BSPK Domotique et automatisation industrielle, estimation de la distance
15.4f < 1 Mbps < 1 et de 6,3 à 9,2 Pulse Position Modulation (PPM), On Off Keying (OOK) Estimation de la distance, RFID active, applications IoT (Internet of Things) à faible consommation d'énergie
15.4z < 27 Mbps < 1 et de 3,1 à 10,6 Combinaison d'étalement. BSPK et intervalles de garde Contrôle des accès mains-libres, services basés sur la localisation, communication point à point

Tableau 1. Normes UWB.

Émetteur-récepteur UWB

La Figure 2 représente un émetteur-récepteur UWB. La chaîne de l'émetteur est constituée d'un en-tête PHY contenant des informations telles que le débit des données, la longueur de la trame, et la durée du préambule. L'en-tête PHY est encodé avec un code SECDED. La charge utile reçue par la couche supérieure est encodée grâce à un code Reed-Solomon. La norme 802.15.4z ajoute un champ STS facultatif pour l'intégrité des données. Un autre bloc de l'encodeur convolutif ayant un rapport d'efficacité de ½ et une longueur de contrainte de 3 ou 7 encode le flux de bits concaténé avant la conversion en symboles complexes avec un mapper de symboles, qui effectue également l'étalement des bits en utilisant la séquence d'étalement et la longueur du chip. Après la mise en forme d'impulsion, le signal ultra-large bande est transmis par voie radio. Vous pouvez trouver une implémentation de ces étapes dans l'exemple HRP UWB IEEE 802.15.4a/z Waveform Generation..

Le récepteur UWB est un simple détecteur d'énergie, implémenté en tant qu'image miroir de l'émetteur, dont le premier bloc est un filtre à intégration et décharge. Vous pouvez trouver l'implémentation complète de l'émetteur-récepteur dans l'exemple End-to-End Simulation of HRP UWB IEEE 802.15.4a/z PHY.

Figure 2 Emetteur-récepteur UWB

Figure 2. Utilisation de l'émetteur-récepteur UWB.

Localisation et estimation de la distance UWB

MATLAB supporte les techniques de localisation et d'estimation de la distance en utilisant des trames MAC (Media Access Control) et PHY compatibles avec la norme IEEE 802.15.4 et l'amendement IEEE 802.15.4z. Les trois techniques suivantes sont couramment implémentées pour l'estimation de la distance :

  • Estimation SS-TWR (Single-Sided Two-Way Ranging) : un dispositif estime la distance entre deux dispositifs par émission de trames dans les deux directions sur une liaison radio 802.15.4z.
  • Estimation DS-TWR (Double-Sided Two-Way Ranging) : les deux dispositifs estiment la distance entre eux par émission de trames dans les deux directions sur une liaison radio 802.15.4z.
  • Estimation OWR/TDOA (One-Way Ranging/Time Difference Of Arrival) : localisation assistée par réseau, où un dispositif communique avec un ensemble de nœuds synchronisés afin d'estimer sa position.

Vous pouvez trouver des exemples MATLAB de code SS-TWR dans l'exemple UWB Ranging Using IEEE 802.15.4z et de OWR/TDOA dans l'exemple UWB Localization Using IEEE 802.15.4z.

Pour la localisation OWR/TDOA, le dispositif devant être localisé émet périodiquement de brefs messages appelés « blinks ». Pour chaque paire de nœuds synchronisés, la différence de temps d'arrivée (TDOA) entre les messages périodiques localise le dispositif dans une surface hyperbolique. L'intersection de l'ensemble de ces surfaces hyperboliques (calculées pour chaque paire de nœuds synchronisés) fournit l'estimation de la localisation du dispositif.

La Figure 3 montre le résultat d'une simulation OWR/TDOA dans MATLAB.

Figure 3 Résultat d'une simulation de localisation OWR/TDOA dans MATLAB

Figure 3. Affichage du résultat d'une simulation de localisation OWR/TDOA dans MATLAB.

Pourquoi la technologie UWB est-elle importante ?

  • UWB offre une couche physique alternative pour les réseaux personnels ou corporels qui fonctionne principalement dans la bande comprise entre 3,1 et 10,6 GHz, moins encombrée que la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale).
  • UWB est très peu sensible à l'évanouissement multi-trajets, peut fonctionner avec des rapports signal à bruit faibles, et propose un support additionnel pour les communications sécurisées.
  • Par rapport à une architecture d'émetteurs-récepteurs superhétérodynes, UWB offre un système simple, et la petite antenne utilisée grâce à la fréquence élevée peut être fabriquée directement dans les puces
  • La durée d'impulsion UWB est beaucoup plus courte que les temps de symbole des autres technologies, ce qui permet d'atteindre une précision élevée et une latence faible pour l'estimation de la distance et la localisation, comme illustré dans le Tableau 2.
Technologie UWB Bluetooth WiFi RFID GPS 5G
Précision 1 cm 1–5 m 5–15 m 1 m 5–20 m 10 m
Latence < 1 ms > 3 s > 3 s 1 s 100 ms < 1 s

Tableau 2. Comparaison des technologies utilisées pour l'estimation de la distance et la localisation.



Références logicielles

Voir aussi: télécommunications, modèle de canal, émetteur-récepteur sans fil, système RF, Communications Toolbox, Introduction à la norme Bluetooth LE

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