L’UWB ou la bande ultra large

Connue depuis 30 ans et souvent associée à la technologie des radars, la solution radioélectrique de l’UWB (Ultra-Wide Band) présente des avantages sérieux et prometteurs. Elle devrait permettre des communications à haut débit à courte distance dans une large gamme de fréquences avec des niveaux de puissance très réduits.
I - Introduction


Le développement récent des technologies numériques dans le domaine des senseurs civils et militaires (radar, sonar, sismographe, instrument d’observation de la terre et de l’espace, etc.) associé à celui des télécommunications (Wifi/WiMAX, WLAN, GPS) démontre que de nombreux degrés de liberté et une plus grande agilité dans le contrôle dynamique des formes d’onde émises permettent d’optimiser l’utilisation des bandes de fréquences allouées.

L’expression relative aux signaux à bande ultra large (UWB) est extraite d’un contexte lié à la guerre froide où, pour désigner l’UWB, on aurait pu aussi bien employer les termes et expressions suivantes "impulsions sans porteuse, bande de base, domaine temporel, signaux non sinusoïdaux, fonction orthogonale et signaux radio ou radar à largeur de bande relativement large". Le sigle UWB contient tout cet ensemble. En 1978, Bennett et Ross rassemblèrent l’ensemble des travaux antérieurs relatifs aux méthodes de générations d’impulsions exploités à basse puissance dans un groupe de premiers brevets sur l’UWB.

La FCC définit l’UWB comme "toute technique radioélectrique qui dispose d’une largeur de bande supérieure à 500 MHz ou supérieure à 25 % de sa fréquence centrale". L’UWB concerne des technologies de transmission de données sans-fil dont le débit peut atteindre plusieurs centaines de Mbit/s. UWB se présente à la fois comme une évolution de Bluetooth et comme une version sans fil d’USB. C’est une technologie radioélectrique qui est basée sur la génération d’impulsions à durée très courte qui donne lieu à des composantes spectrales sur une bande de fréquences très large, d’où son nom.

II - Bandes d’exploitation de l’UWB


Dans l’ensemble du spectre des fréquences radioélectriques, la bande des fréquences inférieure à 2,7 GHz est réservée aux systèmes cellulaires. Le GPS est exploité à 1,6 GHz, le PCS à 1,9 GHz. La bande des fréquences allouées à l’UWB par la FCC s’étend de 3,1 GHz à 10,6 GHz, en monobande ou en multibandes, à l’exception de la bande de 5 à 6 GHz, dévolue aux essais industriels, scientifiques et médicaux. La norme IEEE802.20 appartient à la catégorie des WAN de la 3G. La technologie UWB est adaptable aux supports PCL, WLAN, PAN (réseaux personnels) et à ceux des réseaux câblés.

Les fréquences de l’UWB ne sont pas définies au Japon. Aux Etats-Unis, la FCC a réservé des bandes de fréquences entre 3,1 et 10,6 GHz pour l’usage des équipements UWB. Par contre en Europe, la puissance est limitée et les fréquences sont réduites à la bande comprise entre 6 et 10 GHz (3 GHz de moins qu’aux Etats-Unis). Puis, des affectations de franges discontinues de fréquence pour les satellites ont été consenties pour l’UWB à partir de 10 GHz jusqu’à 32 GHz, mêlées à des fréquences pour les systèmes radar anticollision prévus pour les voitures (25 GHz), pour WiMAX et le LMDS.

L’UIT-R devrait figer les emplois des fréquences en UWB pour l’ensemble du monde.

III - Modulations


Il s’agit d’impulsions très courtes en monobande (centaines de picoseconde) ou plus longues (2,5 nanosecondes) en multibandes à porteuse unique ou en OFDM en multibandes à porteuses multiples. Ces impulsions sont émises au rythme d’un à 100 millions de fois par seconde, les rythmes faibles étant réservés aux radars et à l’imagerie alors que les rythmes élevés (1 à 2 milliards par seconde) sont ceux des systèmes de communications à haut débit (pour des Gbit/s à courte distance). Cette modulation par impulsion dans le temps (ou modulation de position des impulsions dans le temps, PPM) est effectuée au centre de la plage de fréquence, de façon à réduire les échos à parcours multiples, et en utilisant un codage de canal avec séquences de bruit pseudo aléatoire. Les informations peuvent aussi moduler la polarité des impulsions, ou moduler des impulsions de façon orthogonale, etc. La technologie UWB permet de détecter le temps de parcours direct des informations entre émetteurs et récepteurs, ce qui permet d’ajuster les paramètres de transmission en vue d’obtenir la meilleure synchronisation possible et de réduire le plus possible l’effet des interférences. L’égalisation et les codes correcteurs d’erreur sont aussi utilisés en transmission UWB (FEC en LDPC, Low Density Parity Coding, en combinaison avec le code Reed Solomon).

En UWB, l’émission des signaux utiles est effectuée à un niveau inférieur au niveau de bruit radioélectrique ambiant (- 41 dB/MHz), ce qui limite la portée à une dizaine de mètres (dans le cadre réglementaire actuel proposé par la FCC) et présente l’avantage de ne pas recevoir de signaux multiples réfléchis par les obstacles de propagation rencontrés. Dans les autres parties du spectre, la puissance d’émission peut descendre jusqu’à - 75 dB/MHz. Les signaux UWB sont des signaux numériques qui sont modulées par la fréquence porteuse. Les travaux se poursuivent actuellement pour définir le degré de compatibilité de l’UWB avec les applications existantes.

Le "MB-ODFM" s’oppose aux technologies DS-Sequence élaborées au sein d’UWB Forum et poussé par Motorola et Freescale.

En mars 2006, le "Bluetooth SIG" a choisi la solution "WiMedia Alliance" pour les futures normes à très haut débit en UWB. La solution WiMedia retenue est relative au "MB-ODFM (Multiband Orthogonal Frequency Multiplexing), dont le principe est soutenu par Intel. La vision d’Intel consiste à offrir aux équipementiers une plateforme unique (WiMedia UWB Radio Platform) qui permet d’asseoir sur la couche de convergence des protocoles multiples (USB, Bluetooth, WinET et IEEE1394). Cet ensemble, pour Intel, porte le nom de "Pervasive Wirelessly Connectivity", utilisable en bureautique et en domestique.

IV - Débits


Ces technologies récentes offrent des débits importants (de 100 Mbit/s à 1,3 Gbit/s) sur des courtes distances (jusqu’à 10 m) et une bonne capacité de pénétration est envisagée. Des réseaux de capteurs à 10 kbit/s peuvent aussi être édifiés pour des activités de loisirs ou pour la recherche du positionnement d’objets ou de personnes en mouvement.

V - L’UWB et les normes


Le groupe d’industriels regroupé sous le sigle MBOA (MultiBand OFDM Alliance) a fusionné avec l’UWB Forum (200 adhérents), et a rédigé un projet de spécification de couche physique pour réseaux personnels en UWB. La couche physique fait l’objet de deux options.

Les deux systèmes proposés en UWB, celui du MB-OFDM et celui en DS-UWB, sont autorisés d’emploi par la FCC. L’IEEE a ouvert une étude (IEEE802.22) pour l’emploi de ces ressources dans le cadre de réseaux régionaux (WRAN, Wireless Regional Access Networks).

Une troisième technique vient d’être proposée avec Pulse-Kink et son C-Wave UWB (C pour Continuous) pour laquelle les débits et la portée seraient plus importants (1 Mbit/s à 100 mètres) tout en respectant les règles de la FCC.

Freescale a présenté récemment une réalisation de la technologie DS-UWB (Direct Sequence Ultra-Wideband) qui ne demande que peu de puissance et qui est adaptée à la téléphonie, à l’accès à Internet, aux flux multimédia et à la diffusion en domestique de la TVHD. Les performances effectuées à ce jour font état de débits de 110 Mbit/s en salle à 10 mètres et de 2 Gbit/s à 2 mètres.

Le groupe IEEE 802.15 en charge de la normalisation de Bluetooth n’a pas réussi à dégager une position claire dans la lutte de pouvoir entre Intel et Motorola. Ce groupe de travail 802.15.3a, chargé de l’étude des réseaux radioélectriques personnels basés sur la modulation UWB (High Speed WPAN), a été dissou.

L’ECMA a homologué UWB en décembre 2005 sous la référence "ECMA-368 High rate UWB PHY and MAC Standard" et "ECMA-369" et ces normes sont en examen à l’ISO - JTC1/SC6 sous les références DIS 26907, 26908,.

VI - Applications visées


La technologie UWB est utilisée pour les radars / senseurs et les communications. Elle trouve son emploi en radioastronomie et pour les systèmes d’imagerie mis en place pour les secours des personnes ensevelies et la détection des armatures d’acier dans le béton. Des recherches sont en cours pour appliquer ces principes aux systèmes automobiles anticollisions. Il a été suggéré, par plusieurs instances de régulation européennes, d’autoriser librement l’emploi de cette technologie UWB. Actuellement, l’UWB est déjà autorisé d’emploi sous licence au Royaume-Uni pour la détection des défauts dans les pistes d’atterrissage.

Le marché des communications est celui des services et applications résidentiels à courte portée et des réseaux radios ouverts sans demande d’autorisation ou attribution de licence (2 km). L’UWB constitue une bonne alternative possible pour les réseaux radioélectriques domestiques (WLAN et PAN) que l’on retrouve dans la maison communicante, l’hôtel, les lieux de congrès, les sites administratifs, c’est-à-dire tous les lieux qui ne veulent plus s’encombrer de câblages. Les composants sont disponibles pour ces usages.

L’objectif actuel de la maison communicante concerne des transferts de données de l’ordre de 10 à 25 Mbit/s sur le spectre télévisuel (54 à 862 MHz) sans créer de perturbations pour le DVD ou le MPEG-2 pour chacun des canaux de communication interne à la surface considérée (entre 10 et 1 000 mètres carrés). Les autres solutions n’offrent que des débits trop faibles (le 802.11b offre 11 Mbit/s en débit de crête et 35 Mbit/s pour les versions a et g, et malheureusement en MAC Ethernet mode paquets, donc en temps non réel). La consommation à 2 Watts de ces systèmes est trop élevée. Il ne reste que l’UWB avec 110 Mbit/s, sa consommation limitée (0,350 watts) et son faible taux d’interférences pour répondre aux caractéristiques exigées par les WAN/PAN domestiques (2,5 à 5 GHz).

VII - Réalisations actuelles


Une liaison UWB a été réalisée au débit de 667 Mbit/s par la société Pulse-Link. Le maximum de débit obtenu jusqu’ici est un débit de 1,3 Gbit/s, mais il est nécessaire d’introduire un système de correction d’erreur efficace. Les premiers produits en UWB sont apparus sur le marché au début de 2006.

Deux catégories de produits, que l’on trouve en TVHD et dans les produits IEEE1394, sont disponibles, en premier lieu, les DS-UWB (avec Freescale) et ceux de l’Alliance MBOA (Haier, Global Sun, USI, etc.). Intel et Philips ont réalisé des interfaces Wireless USB à 480 Mbit/s en DS-UWB dans le cadre de l’interface USB 2.0 (4 millions d’équipements vendus en 2006). Dans la gamme 320 à 480 Mbit/s, des produits industriels sont disponibles.

Samsung, Freescale et Intellon ont participé avec succès à une expérimentation de distribution de flux de données multimédia HDTV à 200 Mbit/s en UWB sur un réseau domestique. La combinaison des technologies HomePlug AV et de l’UWB a montré la possibilité de mobilité et de distribution de contenus sur de tels réseaux à des prix raisonnables. L’emploi de Home Plus 1.0 a confirmé la robustesse de sa couche PHY, même en présence de bruits, ainsi que l’adéquation de la couche MAC qui met en œuvre la technologie TDMA et CSMA, le bon degré de qualité de service obtenu et la coexistence entre ces technologies.

Le laboratoire Sandia a mis au point un système de radiocommunication sécurise qui repose sur l’UWB et la cryptographie AES (Advanced Encryption Standard) à 256 bits. Ce système est destiné aux environnements sensibles ou hostiles de l’armée de l’air américaine. La confidentialité des données sous IP, échangées en IP en milieu hostile, est assurée. L’UWB émet un signal sous forme d’impulsions très courtes (de l’ordre de 100 picosecondes), transmises sur un spectre de fréquences de plusieurs GHz, sous une puissance d’émission très faible. Les essais ont été pratiqués pour la diffusion d’images d’une camera de surveillance, la puissance du signal transmis étant 1 000 fois inférieure a ce que nécessite un réseau sans fil IEEE 802.11b.

Des transmissions de télévision à haute définition ont été effectuées en UWB (MB-OFDM) entre équipements et terminaux portables placés à l’intérieur d’un véhicule.