Pendant pr\u00e8s de 20 ans, Bluetooth a domin\u00e9 en tant que technologie \u00e0 courte port\u00e9e pour les appareils connect\u00e9s sans fil. Mais les avantages de l’UWB en termes de latence et d’efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique en font une alternative convaincante, avec un flux de donn\u00e9es plus rapide et plus libre et une faible consommation d’\u00e9nergie.<\/p>\n\n\n\n
Frederic Nabki, PhD<\/p>\n\n\n\n
Ce que vous apprendrez :
Une comparaison entre Bluetooth et UWB pour le positionnement.
Les avantages de l’UWB pour les donn\u00e9es \u00e0 haut d\u00e9bit et les communications multim\u00e9dias.
Les diff\u00e9rences entre Bluetooth et UWB pour les jeux, l’audio et les applications IoT.
Les technologies sans fil \u00e0 courte port\u00e9e Bluetooth et UWB se sont toutes deux impos\u00e9es au d\u00e9but du si\u00e8cle, et leur d\u00e9veloppement a \u00e9t\u00e9 motiv\u00e9 par le besoin constant de r\u00e9duire la consommation d’\u00e9nergie et de prolonger la dur\u00e9e de vie des batteries pour une prolif\u00e9ration sans fin d’appareils connect\u00e9s sans fil.<\/p>\n\n\n\n
La norme Bluetooth Low Energy (BLE) a \u00e9t\u00e9 ratifi\u00e9e en 2006 pour rem\u00e9dier aux d\u00e9ficiences du Bluetooth en mati\u00e8re de consommation d’\u00e9nergie. Plus r\u00e9cemment, Bluetooth 5.2 a ajout\u00e9 des fonctions visant \u00e0 r\u00e9duire la consommation pour des applications cibl\u00e9es telles que l’audio. Toutefois, ces modifications sont strictement progressives. Fondamentalement, les r\u00e9ductions de la consommation d’\u00e9nergie sont physiquement limit\u00e9es par l’architecture Bluetooth – un \u00e9metteur-r\u00e9cepteur bas\u00e9 sur une porteuse n\u00e9cessitera toujours une quantit\u00e9 importante d’\u00e9nergie pour d\u00e9marrer, stabiliser et maintenir son oscillateur RF.<\/p>\n\n\n\n
La figure montre les deux importantes p\u00e9nalit\u00e9s de puissance inh\u00e9rentes \u00e0 toutes les architectures radio \u00e0 bande \u00e9troite, y compris Bluetooth.<\/p>\n\n\n\n
Il s’agit des deux principales p\u00e9nalit\u00e9s de puissance inh\u00e9rentes \u00e0 toutes les architectures radio \u00e0 bande \u00e9troite, y compris Bluetooth.
Premi\u00e8rement, la surcharge de l’oscillateur \u00e0 cristal (en bas \u00e0 gauche) paralyse les performances \u00e0 faible d\u00e9bit de donn\u00e9es. Bluetooth utilise un oscillateur \u00e0 cristal de ~20 MHz, qui n\u00e9cessite quelques milliwatts pour \u00eatre aliment\u00e9. Lorsqu’elles sont optimis\u00e9es efficacement, les radios UWB peuvent fonctionner avec des impulsions qui ne n\u00e9cessitent pas d’oscillateur \u00e0 cristal \u00e0 haute fr\u00e9quence et peuvent \u00eatre con\u00e7ues pour fonctionner avec un faible surco\u00fbt de consommation d’\u00e9nergie li\u00e9 \u00e0 la synchronisation. Cependant, la technique d’optimisation UWB joue un r\u00f4le important, et il s’agit donc d’un domaine qui devrait faire l’objet d’un examen approfondi.<\/p>\n\n\n\n
De nombreuses mises en \u0153uvre de la technologie UWB actuelle doivent en fait utiliser des oscillateurs \u00e0 cristal de fr\u00e9quence plus \u00e9lev\u00e9e que celle requise pour le BLE. En revanche, les impl\u00e9mentations UWB avanc\u00e9es peuvent utiliser des oscillateurs \u00e0 cristal jusqu’\u00e0 une fr\u00e9quence de 32 kHz.<\/p>\n\n\n\n
Deuxi\u00e8mement, le surd\u00e9bit de la porteuse modul\u00e9e (en haut au milieu du graphique ci-dessus) p\u00e9nalise les performances \u00e0 haut d\u00e9bit de donn\u00e9es. La transmission d’une grande quantit\u00e9 de donn\u00e9es sur un canal \u00e0 bande passante \u00e9troite tel que celui utilis\u00e9 par les radios Bluetooth n\u00e9cessite beaucoup de temps et d’\u00e9nergie.<\/p>\n\n\n\n
L’UWB permet de transmettre de grandes quantit\u00e9s de donn\u00e9es beaucoup plus rapidement parce qu’elles sont r\u00e9parties sur une large bande passante, ce qui permet de maintenir l’\u00e9metteur en marche pendant une dur\u00e9e beaucoup plus courte et de r\u00e9duire consid\u00e9rablement la consommation d’\u00e9nergie. Cela signifie que pour la m\u00eame quantit\u00e9 d’\u00e9nergie consomm\u00e9e, l’UWB peut transmettre beaucoup plus de donn\u00e9es (tout en haut \u00e0 droite).<\/p>\n\n\n\n
Cela est d\u00fb \u00e0 la dualit\u00e9 temps-fr\u00e9quence, bien r\u00e9sum\u00e9e par la transform\u00e9e de Fourier. En termes simples, cette dualit\u00e9 stipule que si vous avez un signal temporel p\u00e9riodique infiniment long, il aura une largeur de bande infiniment petite. En revanche, si vous disposez d’un signal impulsionnel infiniment court, il aura une largeur de bande infiniment grande. En d’autres termes, il est possible d’\u00e9changer du temps contre de la largeur de bande.<\/p>\n\n\n\n
La bande ultralarge b\u00e9n\u00e9ficie d’un avantage inh\u00e9rent \u00e9vident par rapport \u00e0 la bande \u00e9troite, \u00e9tant donn\u00e9 qu’elle est allou\u00e9e et prise en charge sur une grande partie du spectre radio\u00e9lectrique. Un signal UWB est d\u00e9fini comme un signal dont le spectre est sup\u00e9rieur \u00e0 500 MHz. Aux \u00c9tats-Unis, la Federal Communications Commission (FCC) a autoris\u00e9 en 2002 l’utilisation sans licence de l’UWB dans la gamme de fr\u00e9quences allant de 3,1 \u00e0 10,6 GHz.<\/p>\n\n\n\n
Les syst\u00e8mes UWB utilisent des impulsions \u00e9lectromagn\u00e9tiques de courte dur\u00e9e (c’est-\u00e0-dire \u00e0 l’\u00e9chelle de la nanoseconde) pour la transmission et la r\u00e9ception de donn\u00e9es \u00e0 grande vitesse sur de grandes largeurs de bande. Ils ont \u00e9galement un cycle de service tr\u00e8s faible, d\u00e9fini comme le rapport entre le temps de pr\u00e9sence d’une impulsion et le temps total de transmission.<\/p>\n\n\n\n
Bluetooth vs. UWB pour le positionnement<\/p>\n\n\n\n
Apr\u00e8s deux d\u00e9cennies de maturation, Bluetooth est aujourd’hui presque omnipr\u00e9sent sur le march\u00e9 des appareils sans fil aliment\u00e9s par batterie, qu’il s’agisse de smartphones\/tablettes, d’\u00e9couteurs\/casques, de p\u00e9riph\u00e9riques de jeu, de capteurs IoT, etc. Pour les applications sans fil qui pouvaient s’accommoder d’une latence \u00e9lev\u00e9e et de signaux audio fortement compress\u00e9s, Bluetooth a fourni une exp\u00e9rience utilisateur acceptable pour certaines applications sans fil. Cependant, on pourrait dire que Bluetooth a atteint son point de rendement d\u00e9croissant.<\/p>\n\n\n\n
Aujourd’hui, l’UWB appara\u00eet comme un successeur convaincant du Bluetooth\/BLE pour la prochaine g\u00e9n\u00e9ration d’applications sans fil \u00e0 courte port\u00e9e et \u00e0 faible consommation d’\u00e9nergie. Les fabricants d’\u00e9lectronique grand public comme Apple, Samsung et d’autres qui suivront certainement exploitent le spectre UWB pour d\u00e9livrer des impulsions \u00e9lectromagn\u00e9tiques dans des applications telles que le positionnement pour le suivi d’objets ou de biens, comme l’illustrent les AirTags d’Apple. Il s’agit d’une application \u00e9troite du potentiel technologique de l’UWB, mais n\u00e9anmoins efficace.<\/p>\n\n\n\n
\u00c0 ce titre, l’UWB mesure le temps de vol (ToF) : une impulsion est envoy\u00e9e d’un appareil \u00e0 un autre, et nous mesurons le temps qu’il a fallu entre l’\u00e9mission et la r\u00e9ception. La distance entre les objets est d\u00e9termin\u00e9e en cons\u00e9quence et peut \u00eatre mesur\u00e9e avec une pr\u00e9cision de l’ordre de la picoseconde gr\u00e2ce aux puces UWB. Gr\u00e2ce aux antennes embarqu\u00e9es, les mesures peuvent ensuite \u00eatre corr\u00e9l\u00e9es pour d\u00e9terminer l’angle d’arriv\u00e9e d’un signal, et les objets \u00ab\u00a0\u00e9tiquet\u00e9s\u00a0\u00bb UWB peuvent ainsi \u00eatre localis\u00e9s avec une pr\u00e9cision de 10 cm seulement.<\/p>\n\n\n\n
La technologie Bluetooth est loin d’\u00e9galer cette pr\u00e9cision, car elle utilise l’intensit\u00e9 du signal re\u00e7u (RSS) pour mesurer la distance spatiale. Le RSS est une technique tr\u00e8s simple \u00e0 mettre en \u0153uvre et peut \u00eatre utilis\u00e9 par n’importe quel \u00e9metteur-r\u00e9cepteur sans fil, ce qui explique pourquoi il est si largement utilis\u00e9. Toutefois, sa pr\u00e9cision est tr\u00e8s limit\u00e9e : La distance per\u00e7ue entre deux objets immobiles varie en fonction des obstacles qui se trouvent sur leur trajectoire directe, et le BLE n’offre g\u00e9n\u00e9ralement qu’une pr\u00e9cision de positionnement de quelques m\u00e8tres.<\/p>\n\n\n\n
La technologie de positionnement rendue possible par l’UWB, bien qu’extr\u00eamement pr\u00e9cise, est extr\u00eamement complexe du point de vue de la conception et donc extr\u00eamement gourmande en \u00e9nergie. Par cons\u00e9quent, les puces UWB utilis\u00e9es aujourd’hui pour le suivi d’objets sont en fait 10 fois moins \u00e9conomes en \u00e9nergie que les puces\/radios Bluetooth. Ainsi, bien que l’UWB soit bien adapt\u00e9e au positionnement, il s’agit d’une application gourmande en \u00e9nergie par nature et, en fin de compte, l’UWB n’offre aucun avantage en termes de consommation d’\u00e9nergie au niveau de l’appareil.<\/p>\n\n\n\n
L’UWB pour les donn\u00e9es \u00e0 grande vitesse et la communication multim\u00e9dia<\/p>\n\n\n\n
La dualit\u00e9 temps-fr\u00e9quence mentionn\u00e9e ci-dessus montre que le temps et la largeur de bande sont interchangeables. Si l’on veut comprimer le temps d’une transmission sans fil, il faut une plus grande largeur de bande. Cette propri\u00e9t\u00e9 peut \u00eatre utilis\u00e9e pour accro\u00eetre la pr\u00e9cision du positionnement et de la t\u00e9l\u00e9m\u00e9trie, mais ces capacit\u00e9s ne repr\u00e9sentent qu’une infime partie du potentiel de l’UWB.<\/p>\n\n\n\n
Une autre capacit\u00e9 tr\u00e8s int\u00e9ressante permise par la dualit\u00e9 temps-fr\u00e9quence est la r\u00e9duction de la latence dans les syst\u00e8mes. Cela a d’\u00e9normes implications pour d’innombrables applications sans fil \u00e0 courte port\u00e9e dans l’avenir.<\/p>\n\n\n\n
Les impulsions d\u00e9livr\u00e9es sur une bande passante tr\u00e8s large garantissent une latence extr\u00eamement faible – ces signaux peuvent \u00eatre envoy\u00e9s en quelques microsecondes avec l’UWB, alors que le Bluetooth prendrait des millisecondes. Le r\u00e9sultat final est une communication de donn\u00e9es sans fil ultra-efficace. De plus, les impl\u00e9mentations UWB ont d\u00e9montr\u00e9 une consommation d’\u00e9nergie au moins 10 fois inf\u00e9rieure \u00e0 celle du BLE pour les applications sans positionnement.<\/p>\n\n\n\n
Les p\u00e9nalit\u00e9s de latence du Bluetooth ne persisteront que pour des applications telles que les jeux, l’audio et l’IdO, ce qui est la principale raison pour laquelle la connectivit\u00e9 c\u00e2bl\u00e9e a persist\u00e9 si obstin\u00e9ment pour les p\u00e9riph\u00e9riques et les capteurs utilis\u00e9s dans ces applications. Nous appr\u00e9cions la libert\u00e9 de mobilit\u00e9 que nous offre le sans-fil, mais historiquement, il nous a co\u00fbt\u00e9 cher en termes de latence\/retard, de d\u00e9gradation du signal et d’\u00e9puisement de la batterie.<\/p>\n\n\n\n
Jeux<\/p>\n\n\n\n
Pour les joueurs, la vitesse est essentielle lorsqu’il s’agit de surpasser ses adversaires, et la latence est donc une pr\u00e9occupation majeure pour les joueurs inv\u00e9t\u00e9r\u00e9s. Lorsque les joueurs appuient sur le bouton de la souris, ils veulent une r\u00e9ponse instantan\u00e9e, mais Bluetooth ne peut offrir que des vitesses de r\u00e9ponse de 20 \u00e0 30 ms dans le meilleur des cas.<\/p>\n\n\n\n
En s’appuyant sur la connectivit\u00e9 UWB, SPARK a d\u00e9montr\u00e9 une latence inf\u00e9rieure \u00e0 0,2 ms pour les p\u00e9riph\u00e9riques de jeu sans fil UWB, et l’entreprise est en bonne voie pour atteindre une latence inf\u00e9rieure \u00e0 0,1 ms. C’est bien plus que ce que le Bluetooth peut faire, et c’est m\u00eame plus rapide que ce que de nombreuses souris c\u00e2bl\u00e9es USB disponibles dans le commerce peuvent offrir aujourd’hui.<\/p>\n\n\n\n
L’audio<\/p>\n\n\n\n
En ce qui concerne l’audio, Bluetooth \u00e9tant limit\u00e9 \u00e0 une bande passante tr\u00e8s \u00e9troite, il faut appliquer une compression des donn\u00e9es audio pour faire passer un signal audio autrement volumineux dans un tuyau \u00e9troit, ce qui d\u00e9grade le signal. Les codecs Bluetooth sont intrins\u00e8quement d\u00e9ficitaires, c’est-\u00e0-dire qu’une grande partie des donn\u00e9es audio de la source est supprim\u00e9e. Un son de qualit\u00e9 CD est obtenu avec un d\u00e9bit de 1 411 kb\/s. Le codec Bluetooth ram\u00e8ne ce d\u00e9bit \u00e0 environ 300 kb\/s pour que le flux audio puisse s’int\u00e9grer dans les capacit\u00e9s limit\u00e9es du d\u00e9bit de donn\u00e9es de Bluetooth.<\/p>\n\n\n\n
L’UWB permet un d\u00e9bit de donn\u00e9es 10 fois sup\u00e9rieur \u00e0 celui du BLE ; il n’est donc pas n\u00e9cessaire de compresser le signal audio pour le transmettre sans fil \u00e0 votre casque UWB. Cela garantit que la sc\u00e8ne sonore que l’on peut entendre avec les casques UWB est consid\u00e9rablement plus d\u00e9taill\u00e9e que ce qui est possible avec Bluetooth aujourd’hui, et qu’elle est exactement fid\u00e8le \u00e0 la source audio. Ces avantages s’\u00e9tendent \u00e9galement aux performances musicales en direct – l’UWB lib\u00e8re les musiciens des c\u00e2bles encombrants sans sacrifier la latence, ce qui permet des performances en direct sans fil.<\/p>\n\n\n\n
L’IdO<\/p>\n\n\n\n
La dur\u00e9e de vie des batteries des capteurs et des appareils sans fil est aujourd’hui insuffisante pour de nombreuses applications IoT, ce qui entra\u00eene des cycles de recharge trop fr\u00e9quents, une connectivit\u00e9 limit\u00e9e, des batteries encombrantes et\/ou une maintenance co\u00fbteuse. En outre, la longue latence rend le sans-fil inadapt\u00e9 aux applications n\u00e9cessitant une d\u00e9tection et des communications en temps r\u00e9el.<\/p>\n\n\n\n
Gr\u00e2ce \u00e0 l’UWB, d’\u00e9normes volumes de donn\u00e9es de capteurs peuvent \u00eatre transmis avec une latence 60 fois inf\u00e9rieure et une efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique 40 fois sup\u00e9rieure \u00e0 celle de l’ancienne technologie Bluetooth. Cela est extr\u00eamement b\u00e9n\u00e9fique non seulement pour les applications IdO, mais aussi pour la myriade de b\u00e2timents intelligents, de villes intelligentes et d’applications guid\u00e9es par l’IA qui se profilent \u00e0 l’horizon et qui n\u00e9cessiteront des communications \u00e0 tr\u00e8s haut d\u00e9bit entre des r\u00e9seaux tentaculaires de capteurs sans fil aliment\u00e9s par des batteries.<\/p>\n\n\n\n
La technologie Bluetooth est aujourd’hui bien implant\u00e9e et nous a raisonnablement bien servis au cours des deux derni\u00e8res d\u00e9cennies. Toutefois, les avantages consid\u00e9rables de l’UWB en termes de latence et d’efficacit\u00e9 \u00e9nerg\u00e9tique en font une alternative convaincante pour toute application sans fil n\u00e9cessitant une circulation plus rapide et plus libre des donn\u00e9es avec une consommation d’\u00e9nergie minimale. Partout o\u00f9 le Bluetooth r\u00e9side aujourd’hui – dans d’innombrables applications commerciales et industrielles, depuis nos \u00e9couteurs jusqu’\u00e0 la p\u00e9riph\u00e9rie – l’UWB peut potentiellement r\u00e9sider demain.<\/p>\n\n\n\n
Publi\u00e9 \u00e0 l’origine sur Electronic Design<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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