Comment fonctionne l’ultra-large bande
Cet article fait partie de la Pozyx Academy et constitue le deuxième d’une série de cinq articles qui expliquent comment la technologie Pozyx fonctionne et ce qu’il faut prendre en compte lors de l’installation du système Pozyx.
- Comment fonctionne le positionnement
- Comment fonctionne l’ultra-large bande
- Explication des protocoles de positionnement
- L’ultra-large bande et les obstacles
- Où placer les ancres
Se déplacer à la vitesse de la lumière
L’article précédent de la Pozyx Academy, « Comment fonctionne le positionnement », expliquait comment obtenir une position en mesurant la distance par rapport à des points de référence. La technologie ultra-large bande fonctionne différemment et mesure le temps nécessaire à une onde radio pour aller de l’actif à l’ancre ou au point de référence. C’est ce qu’on appelle le temps de vol (TOF).
Comme les ondes radio se déplacent à la vitesse de la lumière, le temps de vol est mesuré à l’aide de cette vitesse pour obtenir la distance. La vitesse de la lumière est très élevée. En une seule nanoseconde, soit un milliardième de seconde, une onde parcourt près de 30 cm. Cela signifie que le timing doit être mesuré avec une très grande précision pour effectuer un mesurage de distance précis au centimètre près.
Tout est une question de bande passante
Le principe d’incertitude de Heisenberg stipule qu’il est impossible de connaître à la fois la fréquence et le timing d’un signal. Prenons par exemple une sinusoïde ; un signal dont la fréquence est bien connue mais dont le timing est très mal défini : le signal n’a ni début ni fin. Cependant, plusieurs signaux sinusoïdaux de fréquences légèrement différentes, combinés, créent une impulsion au timing plus défini, c’est-à-dire le pic de l’impulsion. Cela est illustré dans la figure suivante de Wikipedia qui additionne successivement des sinusoïdes à un signal pour obtenir une impulsion plus nette :
La plage de fréquences utilisée pour ce signal s’appelle la bande passante Δf. En utilisant le principe d’incertitude de Heisenberg, on peut déterminer la largeur Δt de l’impulsion, pour une bande passante Δf* donnée :
ΔfΔt ≥ 1/4π
Cette formule montre qu’une grande bande passante est nécessaire pour créer une impulsion étroite, ce qui est indispensable pour un timing précis. Par exemple, avec une bande passante de Δf = 20 MHz (disponible pour les systèmes Wi-Fi), on obtient une largeur d’impulsion supérieure à Δt ≥ 4 ns. À la vitesse de la lumière, cela correspond à une impulsion « longue » de 1,2 m, ce qui est trop important pour un mesurage de distance précis. On peut en conclure que les systèmes Wi-Fi ne sont pas adaptés à un positionnement précis, d’une part parce qu’il est difficile de déterminer avec précision le pic d’une impulsion aussi large, et d’autre part à cause des réflexions.
Les réflexions sont des signaux qui rebondissent sur des objets (murs, plafonds, bureaux, etc.) dans l’environnement. Ces réflexions sont captées par le récepteur et peuvent se superposer à l’impulsion en ligne de visée, ce qui rend difficile la mesure du véritable pic de l’impulsion. Avec des impulsions de 4 ns de large, tout objet situé à moins de 1,2 m du récepteur ou de l’émetteur provoquera une impulsion superposée. Pour cette raison, le mesurage de distance via le Wi-Fi en utilisant le temps de vol n’est pas adapté aux applications intérieures.
Les signaux ultra-large bande utilisés dans le système Pozyx ont une bande passante de 500 MHz, ce qui donne des impulsions de 0,16 ns de large. Cette résolution temporelle est si fine qu’au récepteur, nous pouvons distinguer plusieurs réflexions du signal. Il reste donc possible d’effectuer un mesurage de distance précis, même dans des lieux comportant de nombreux réflecteurs, comme les environnements intérieurs.
Où trouver la bande passante
En conclusion, un positionnement précis via l’UWB nécessite une bande passante de 500 MHz, ce qui est considérable. Malheureusement, tout le monde veut beaucoup de bande passante, car dans les systèmes de communication sans fil, plus de bande passante signifie des téléchargements plus rapides. Cependant, si tout le monde transmettait des signaux sur la même fréquence, tous les signaux interféreraient et personne ne pourrait recevoir quoi que ce soit d’exploitable. C’est pourquoi l’utilisation du spectre de fréquences est fortement réglementée.
Alors, comment se fait-il que l’UWB dispose de 500 MHz de bande passante alors que la plupart des autres systèmes doivent se contenter de beaucoup moins ? Eh bien, les systèmes UWB ne sont autorisés à émettre qu’à très faible puissance (la densité spectrale de puissance doit être inférieure à -41,3 dBm/MHz). Cette contrainte de puissance très stricte signifie qu’une impulsion unique ne porte pas loin : au récepteur, l’impulsion sera probablement en dessous du niveau de bruit. Pour résoudre ce problème, une trainée d’impulsions est envoyée par l’émetteur (généralement 128 sur 1024) pour représenter un seul bit d’information. Les impulsions reçues sont ensuite accumulées au récepteur et, avec suffisamment d’impulsions, la puissance de l’« impulsion accumulée » dépassera le niveau de bruit et la réception sera possible.
La norme IEEE 802.15.4 pour les réseaux personnels sans fil à faible débit a défini un certain nombre de canaux UWB d’au moins 500 MHz de large. Selon le pays, certains canaux sont autorisés. Les canaux de la bande basse (1 à 4) peuvent être utilisés dans la plupart des pays sous certaines limitations du taux de mise à jour (à l’aide de techniques d’atténuation). Le canal 5 est accepté dans la plupart des régions du monde sans aucune limitation, à l’exception notable du Japon. D’un point de vue purement physique, plus la fréquence centrale du canal est basse, meilleure est la portée.
| Channel | Center frequency (MHz) | Band (MHz) | Bandwidth (Mhz) | Remarks |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3494.4 | 3244.8 – 3744 | 499.2 | |
| 2 | 3993.6 | 3774 – 4243.2 | 499.2 |
Supported by Pozyx RTLS Preferred channel for long range (US) |
| 3 | 4492.8 | 4243.2 - 4742.4 | 499.2 | Supported by Pozyx RTLS |
| 4 | 3993.6 | 3328 - 4659.2 | 1331.2 | |
| 5 | 6489.6 | 6240 - 6739.2 | 499.2 |
Supported by Pozyx RTLS Accepted without restrictions in most parts of the world |
| 6 | 6988.8 | 6739.2 - 6739.2 | 499.2 | |
| 7 | 6489.6 | 5980.3 - 6998.9 | 1081.6 | |
| 8 | 7488 | 7238.4 - 7737.6 | 499.2 | |
| 9 | 7987.2 | 7737.6 - 8236.8 | 499.2 | Accepted without restrictions in most parts of the world |
À propos de la puissance du signal reçu (RSS)
La puissance du signal reçu (RSS) est une autre façon de mesurer la distance entre deux points à l’aide d’ondes radio. Plus les deux points sont éloignés, plus la puissance du signal reçu est faible. Ainsi, à partir de cette valeur RSS, nous devrions pouvoir déduire la distance. Ce n’est toutefois pas si simple. La puissance du signal reçu sera une combinaison de la puissance de toutes les réflexions et pas seulement de la ligne de visée souhaitée. Il devient donc difficile de relier la valeur RSS à la distance réelle, comme le montre clairement l’image ci-dessous.
Dans cette figure, la valeur RSS d’un signal Bluetooth est mesurée à certaines distances. À chaque distance, les barres d’erreur montrent comment la valeur RSS se comporte à la distance donnée. Il est clair que la variation de la valeur RSS est très importante, ce qui rend le RSS inadapté à un mesurage de distance ou à un positionnement précis.
Lisez l’article suivant sur les protocoles de positionnement pour en savoir plus sur la technologie Pozyx.
