La technologie UWB radio impulsionnelle

Un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée 27/08/2017
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2013-5:19619
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La technologie UWB radio  impulsionnelle

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62 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE Benoît Denis, François Dehmas, Michael Pelissier, Laurent Ouvry CEA-Leti Minatec Introduction Dans une perspective d’optimisation énergétique ou de perfectionnement ergonomique, la gestion locale de l’information ainsi que les applications nomades centrées sur l’utilisateur sont aujourd’hui deux tendances de fond de la nouvelle ère numé- rique. L’évolution récente des systèmes RFID et des mémoires tend, par exemple, à favoriser la distribu- tion spatiale des contenus et le stockage local des données, interrogeables « à la demande » dans leur voisinage physique immédiat (sans recours à des ressources distantes centralisées, plus énergivores). L’émergence de technologies propres à l’Internet des Objets (IoT : Internet of Things) ou aux villes intelli- gentes, est dopée par une demande croissante en matière d’intégration, d’autonomie et de mobilité : nombre d’applications topo-dépendantes ou géo- référencées commencent ainsi à voir le jour. Émerge également le besoin de fonctions conjointes de « géolocalisation » et de communica- tion au sein d’environnements jusque-là dépourvus de couverture satellitaire. En exploitant de simples liens de transmission radio, on cherche à positionner des biens ou des individus avec des niveaux de préci- sion sans précédent, c’est-à-dire de l’ordre du mètre, voire en-deçà. La radiolocalisation autorise des ser- vices commerciaux « contextualisés », ou bien encore de nouvelles applications comme la navigation per- sonnelle augmentée, la logistique « intelligente », le secours à la personne, ou l’analyse quantifiée de la pratique sportive. Au-delà de la simple contingence sémantique entre ces deux types de localisation (c‘est-à-dire, La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée In this article, we intend to draw the appraisal of a 10 year-long evolution of the Impulse Radio - Ultra Wideband (IR-UWB) technology. Starting with a brief historical review of US and European regulation recommendations (in terms of emission masks and activity) and related IEEE standard specifications (e.g. 802.15.4a and 802.15.4f), we recall the main principles and challenges associated with this technology (e.g. in terms of signal transmission and shaping, possible architectural choices for the receiver, or supported radiolocation functionalities). On this occasion, state-of-the-art contributions, as well as commercially available products, are also summarized, while pointing out the taxonomy currently admitted for IR-UWB systems and applica- tions. Then we describe more specific proposals, addressing accurate peer-to-peer ranging over low data rate links on the one hand or short-range high data rate transfer on the other hand. The first development, which relies on a double I/Q projection principle, claims low power consumption within a few tens of mW, fine sensibility and scalable data rates up to 50 Mbps at several hundreds of meters, and precise time of arrival time (TOA) estimation capabilities, despite a moderate sampling speed on the receiver’s side (i.e. 50 MHz). The second development concerns an original super-regenerative IR-UWB architecture, coupled with a side UHF/HF narrow-band link (used for both power and synchronization remote harvesting, feeding the IR- UWB part), enabling data rates up to 112 Mbps for advanced RFID applications. One third option, viewed as a compromise between the two latter solutions, is also put forward for the localization of semi-passive backscattering RFID tags in indus- trial environments. Finally, we disclose a few research perspectives, regarding IR-UWB radio design (e.g. migration towards 6-8.5 GHz frequency bands vs. CMOS technologies, phase noise and noise factor minimization in I/Q receivers, sensibility optimization and improved robustness against interferers in non-coherent receivers, waveform control and energy efficiency at transmitters, digital baseband agility…), as well as localization algorithms suited into the IR-UWB context (e.g. multipath-aided positioning, non-visibility compensation, hybrid data fusion with inertial systems or multiple radio standards, mobile-to-mobile cooperation…). ABSTRACT REE N°5/2013 63 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée « rendre local » et « positionner »), d’aucuns s’attendent à une révolution profonde des usages, du même ordre que celles ayant accompagné, en leur temps, l’apparition du GPS en matière de trafic automobile et l’arrivée du GSM dans le domaine des communications mobiles. Malgré la concurrence féroce d’autres approches techno- logiques (par exemple les QR codes1 et le cloud, comme alternative au transfert de données à courte portée) et mal- gré la montée en force de solutions matures déjà largement diffusées (par exemple, les systèmes Wi-Fi de localisation indoor offrant une précision de quelques mètres), la radio impulsionnelle IR-UWB (Impulse Radio - Ultra Wideband), en relevant une majorité des défis techniques proposés dans ces nouveaux contextes applicatifs, semble aujourd’hui en mesure de trouver sa place au terme d’un processus de ma- turation de près d’une dizaine d’années. Ainsi, après des débuts euphoriques, où l’UWB – au sens large – semblait représenter une panacée notamment en raison de son efficacité spectrale théorique, l’épreuve du ter- rain de l’implémentation et les contraintes normatives ont conduit, ces dernières années, à un compromis raisonnable entre débit et portée. On aboutit ainsi à une segmentation relativement naturelle et stable de l’offre IR-UWB avec : courte portée ; longue portée, adaptées aux fonctions de radiolocalisation. On se propose, dans ce qui suit, de dresser un bilan de dix années d’évolutions dans le domaine de l’IR-UWB, en trai- tant des grands principes, des réalisations disponibles sur le marché, des techniques plus avancées et des perspectives offertes par la recherche. La technologie radio impulsionnelle Principes de base et propriétés La technologie IR-UWB repose sur l’émission dans le do- maine temporel de trains d’impulsions de très courte durée, de l’ordre de quelques nanosecondes – voire en-deçà –, qui occupent une large bande fréquentielle, c’est-à-dire supé- rieure ou égale à 500 MHz. Une telle approche présente des qualités intrinsèques indéniables. On peut citer, au premier chef, de bonnes propriétés de résolution temporelle, direc- tement héritées du domaine radar dont elle est issue, qui lui confèrent une certaine robustesse dans les environnements denses en multi-trajets (bâtiments résidentiels, tertiaires ou industriels, etc.). La bonne résolution temporelle permet aussi 1 Le code QR (Quick Response) est un type de code-barres en deux dimensions constitué de modules noirs disposés dans un carré à fond blanc. une mesure précise du temps d’arrivée ToA (Time of Arrival) et/ou, par extension, du temps de vol ToF (Time of Flight) des signaux transmis, en particulier à des fins de radiolocalisation. Les faibles niveaux de puissance moyenne rayonnée, alliés à la souplesse des rapports cycliques à l’émission, permettent de réduire de manière drastique la consommation électrique, en la ramenant par exemple à quelques dizaines de mW tout en limitant les interférences générées vis-à-vis des autres ser- vices radio. En comparaison de technologies plus classiques, ces deux derniers points font de l’IR-UWB une solution tou- jours aussi attrayante dans une perspective d’intégration poussée et de pénétration de grands marchés de masse. Mais le chemin ne fut pas pavé de roses pour autant. Règlementation L’introduction de la technologie UWB dans le monde des communications sans fil date des travaux menés au début des années 2000 par la FCC2 américaine, visant à réglemen- ter l’accès intentionnel au spectre dans la bande 3,1 GHz à 10,6 GHz pour des usages secondaires. Ces efforts ont débouché sur une première recommandation qui posait les bases essentielles de la réglementation de l’UWB : la largeur de bande du signal doit être supérieure à 500 MHz ou à 20 % de la fréquence centrale et la densité spectrale de puissance ne doit pas excéder -41,3 dBm/MHz. Cette der- nière valeur est en relation directe avec les niveaux tolérés pour les émissions non intentionnelles des appareils élec- triques, ce qui fonde l’esprit de cette réglementation. Ainsi, en exploitant 500 MHz ou 7,5 GHz de bande, des systèmes UWB peuvent en théorie émettre respectivement au plus -14,3 dBm ou -2,5 dBm3 de puissance moyenne. Cette limi- tation restreint de facto leur utilisation à des portées courtes (quelques mètres) ou modérées (quelques dizaines ou cen- taines de mètres), selon le débit visé. La transposition de cette réglementation de la FCC aux autres régions du monde a pris plusieurs années et s’est accompagnée de restrictions significatives. En Europe plus particulièrement, les travaux de la CEPT4 et les premières décisions de l’ECC5 (ECC/DEC/(06)04 et ECC/DEC/(06)12, [1]) ont séparé la bande dite « basse » comprise entre 3,4 et 4,8 GHz et la bande dite « haute » com- prise entre 6,0 et 8,5 GHz, alors que la FCC avait considéré la bande 3,1 GHz à 10,6 GHz d’un seul tenant (figure 1). 2 Federal Communications Commission : Commission fédérale des com- munications chargée aux États-Unis de la règlementation du domaine des communications. 3 -14.3 = -41.3 + 10*log 500 ; -2.5 = -41.3 + 10*log 2500. 4 Conférence Européenne des Postes et Télécommunications. 5 Electronic Communications Committee : Comité des Communications Électroniques de la CEPT. 64 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE L’accès à la bande basse est restreint par la mise en œuvre de techniques de réduction d’interférences visant à protéger les autres services coexistant sur cette bande. Il s’agit notam- ment du mécanisme Detect And Avoid (DAA), consistant à détecter et à éviter la présence d’un système victime dans la bande d’utilisation, et du Low Duty Cycle (LDC), limitant le taux d’activité des émetteurs dans le temps, et in fine, la taille ainsi que la périodicité des paquets transmis (avec notam- ment une limite de 5 % du temps/s). Sur le principe, le DAA a été instauré plutôt pour des systèmes à haut débit et le LDC plutôt pour les systèmes de localisation, par essence bas débit, ayant la possibilité d’adapter le taux de rafraîchis- sement des mesures. Ces contraintes apparaissent particuliè- rement fortes, notamment d’un point de vue technologique pour le DAA ou applicatif pour le LDC, incitant à utiliser plutôt la bande haute bien qu’elle soit moins favorable en termes de propagation radioélectrique. Par la suite, des réglementa- tions plus spécifiques ont été proposées en Europe sous la forme de décisions ou de recommandations, par exemple pour des systèmes de localisation incluant des déploiements de stations fixes en extérieur (LT26 , ECC/REC/(11)09) ou utilisables en situations d’urgence et de crise (LAES7 , ECC/ REC/(11)10), dans les avions (ECC/DEC/(12)03) ou encore dans les trains et les automobiles (ECC/DEC/(06)04 amen- dement de décembre 2011). Normalisation UWB La publication du premier rapport de la FCC en 2002 s’est accompagnée d’une forte activité au sein du groupe IEEE 802.15.3a, visant à définir un standard de communication 6 Location Tracking Type 2. 7 Location tracking application for emergency and disaster situations. à haut débit (500 Mbit/s) et courte portée, qui soit techni- quement compétitif vis-à-vis des solutions Wi-Fi IEEE 802.11a et b. Deux solutions techniques, l’une basée sur l’OFDM8 , l’autre sur l’IR-UWB, défendues par deux consortia industriels différents, n’ont toutefois pas pu être départagées. La disso- lution du groupe à l’IEEE en janvier 2006 a donné lieu à la création de deux initiatives distinctes, la Multi Band OFDM Alliance (MBOA) et l’UWB forum. Si l’UWB forum a rapide- ment mis un terme à ses travaux, l’alliance MBOA a standar- disé une spécification OFDM au sein de l’ECMA, en assurant sa promotion au sein des alliances WiMedia, WirelessUSB et Bluetooth SIG. Fin 2004, un autre groupe de travail a été créé à l’IEEE, le 802.15.4a9 , avec l’objectif de standardiser une solution de communication bas débit et de localisation précise LDR-LT (Low Data Rate – Location and Tracking). La technologie IR-UWB s’y est alors imposée naturellement et le standard correspondant, publié en 2007, prévoit des débits allant de 100 kbit/s à 26 Mbit/s, avec un schéma de modu- lation flexible utilisant des codes d’étalement et des codeurs optionnels. A la couche MAC10 , héritée du standard IEEE 802.15.4, ont été ajoutées des primitives nécessaires aux mesures de distances point-à-point, reposant sur l’échange de paquets « aller-retour » entre des paires de nœuds d’un même réseau. Une particularité forte de ce standard réside dans l’anticipation de contraintes d’intégration à bas coût en technologie CMOS, préalable indispensable pour les marchés de masse, de telle sorte que, depuis la publication du stan- dard, des industriels se sont lancés dans la production de circuits intégrés l’implémentant, au moins en partie. 8 OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing. 9 http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html. 10 Medium Access Control : dans la couche « liaison de données », sous- couche de contrôle d’accès au support. Figure 1 : Masques d’émission réglementaires pour les transmissions IR-UWB (version simplifiée). REE N°5/2013 65 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée En 2008, le groupe IEEE 802.15.4f a été constitué sous la dénomination « Active RFID11 », avec un objectif similaire à celui de l’IEEE 802.15.4a, à savoir la localisation précise d’étiquettes RFID alimentées, en allégeant la contrainte de l’intégration CMOS et, in fine, en se rapprochant des spéci- fications des systèmes IR-UWB propriétaires développés par certains membres du groupe. Ce standard, publié en 2011, prévoit notamment des transmissions UWB « simplex » (l’éti- quette RFID émettant mais ne recevant pas, ou recevant des informations de signalisation via une autre couche physique non-UWB) ainsi qu’une couche MAC spécifiquement adap- tée à cette fin12 . Enfin, depuis 2008, dans un contexte de recherche en forte croissance, le groupe IEEE 802.15.6 a élaboré une spé- cification des couches physiques et MAC dédiées aux réseaux corporels sans fil BAN (Body Area Networks). Compte tenu des avantages inhérents à la technologie IR-UWB pour ce type d’environnements et d’applications fortement contraints (débit variable, basse consommation, forte intégration), une couche physique s’apparentant à une version allégée de l’IEEE 802.15.4a a été publiée par ce groupe en 2011. Cette spécification est d’ailleurs traitée plus en détail dans un autre article de ce dossier. Principes généraux et état de l’art Formes d’onde En IR-UWB, l’impulsion unitaire révèle l’allure de l’enve- loppe spectrale du signal émis. Par exemple, une impulsion de forme gaussienne et de largeur temporelle utile occupe une bande fréquentielle d’environ B = 2/ (soit B = 500 MHz pour = 4 ns). La construction d’un signal IR-UWB se fait le plus souvent par répétition de telles impulsions avec une pério- dicité moyenne PRP (Pulse Repetition Period). Ainsi le signal émis est de nature sporadique, de rapport cyclique moyen /PRP. La modulation de l’impulsion pourra dès lors se faire en : 13 , modulation de la phase ou de la polarité de l’impulsion, avec éventuellement un encodage différentiel par rapport à la précédente impulsion ; n-PPM14 , modulation de la position de l’impulsion avec n positions possibles ; 15 , utilisation d’un doublet d’impulsions (la première ser- vant de référence à la seconde, qui portera l’information de manière différentielle) ; 11 Radio Frequency Identification : radio-identification. 12 IEEE802.15.4-2011. 13 BPSK : Binary Phase Shift Keying. Modulation par changement de phase à deux états. 14 PPM : Pulse-Position Modulation. Modulation en position d’impulsions. 15 TR : Transmitted Reference. Modulation par passage de référence. 16 , modulation via l’absence ou la présence de l’impulsion. Compte tenu de la difficulté à contrôler finement la phase et l’amplitude des impulsions émises, les modulations QAM ne sont pas retenues. Des constellations ou modulations d’ordre supérieur, par exemple orthogonales, hormis en n-PPM, peuvent toutefois être obtenues par codage via des séquences d’impulsions spécifiques, à l’instar des systèmes à étalement de spectre par séquence directe (ESSD). Le débit variable est, le plus souvent, obtenu en modifiant le nombre d’impulsions par symbole, au prix d’une faible complexité matérielle additionnelle. Enfin, les propriétés spectrales du signal complet dépendant directement du peigne convoluant l’impulsion de base, il est nécessaire d’ajouter un schéma de codage spécifique pour lisser les raies spectrales, typique- ment un embrouillage (scrambler) par code de saut temporel TH (Time Hopping) et/ou de polarité (polarity scrambling). A titre d’exemple, le standard IEEE 802.15.4a met en œuvre plusieurs schémas de modulation-codage. Le pré- ambule est constitué d’une suite d’impulsions uniques mo- dulées par séquence directe ternaire de longueur N. Dans l’exemple de la figure 2-a, la PRP moyenne a une valeur moitié par rapport à la PRP « crête », de par la présence de N/2 zéros dans la séquence ternaire appliquée. Le champ de trame véhiculant les données utiles (PSDU) est modulé avec des trains d’impulsions groupées ou “bursts” (cf. figure 2-b). Le burst est embrouillé afin de lisser le spectre, modulé deux moitiés du temps symbole (2-PPM, codage de 1 bit) et affecté d’un code de saut temporel à l’intérieur de la moi- tié du temps symbole, pour lisser le spectre et permettre la réduction d’interférence entre différents réseaux coexis- tants. La PRP crête est de 2 ns, mais la PRP moyenne est la même que celle du préambule. Le débit variable est obtenu ici en modifiant proportionnellement la durée du burst et la durée symbole. Une alternative pour la modulation de la PSDU consiste à appliquer le même schéma que pour le préambule. Le débit variable est alors obtenu en modifiant la longueur du code d’étalement. Une contrainte supplémentaire dans la spécification des paramètres de modulation est liée au canal de propagation. Compte tenu de la difficulté objective à implémenter des 17 classiques sont mis en œuvre. Dès lors, il convient de limiter l’interférence entre symboles (ISI18 ) ou entre impulsions (IPI19 ) en amont, 16 OOK : On-Off Keying. Modulation en tout ou rien. 17 Récepteur RAKE : récepteur permettant de sommer l'énergie des tra- jets multiples 18 ISI : Inter Symbol Interference. 19 IPI : Inter Pulse Interference. 66 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE en espaçant les impulsions transmises et en choisissant une PRP grande devant la durée de la réponse impulsionnelle du canal. Des études menées pour des environnements appli- catifs représentatifs, c’est-à-dire, à l’intérieur des bâtiments et pour des portées allant jusqu’à quelques dizaines de mètres, montrent que l’étalement temporel moyen du canal peut atteindre quelques dizaines de nanosecondes, selon les conditions d’obstruction du trajet en visibilité directe. Sur de courtes distances, l’étalement se limite à quelques nanose- condes et la PRP peut ainsi être significativement réduite. Or, à puissance moyenne égale, toute augmentation de la PRP moyenne implique proportionnellement l’augmentation du carré de l’amplitude des impulsions. La limite supérieure pour cette même amplitude est imposée par les technologies et les tensions d’alimentation des circuits mis en œuvre. Pour des technologies standards, on retiendra que l’amplitude maximale des impulsions est inférieure à la tension d’alimen- tation (de l’ordre de 1 V en technologie CMOS RF). La PRP moyenne de 64 ns, couplée à un rapport cyclique d’envi- ron 3 %, telle que définie dans les standards IR-UWB IEEE 802.15.4a et IEEE 802.15.6, tient précisément compte de ces mêmes contraintes technologiques. Architectures de réception Plus encore que pour les technologies radio classiques à bande étroite, le choix de l’architecture de réception est, dans le cas IR-UWB, intimement lié au niveau de perfor- mance souhaité, au schéma de modulation retenu et donc à l’application sous-jacente revendiquée comme on l’a vu dans la section précédente. Le tableau de la figure 3 recense les grandes familles d’architectures possibles. La première solu- tion rapportée, relativement classique pour les systèmes à bande étroite, s’avère pour autant assez bien adaptée. Les autres architectures, spécifiques à l’IR-UWB, sont plus inno- Figure 2 : Structures types du préambule (a) et de la partie « données » (b) d’une trame du standard IR-UWB IEEE 802.15.4a. Dans l’exemple illustré en (b), en cas de modulation 2-PPM, le “burst” d’impulsions transmis encode un unique symbole de donnée « 0 » et occupe la première des huit positions d’étalement possibles (TH : Time Hopping). A contrario, pour un symbole « 1 », le burst aurait occupé une des positions temporelles de 16 à 23. (a) (b) REE N°5/2013 67 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée vantes, mais résultent toutes d’un compromis. On pressent en effet que la spécialisation d’un type de récepteur à un contexte applicatif est nécessaire afin de disposer d’une solu- tion suffisamment attractive. Les algorithmes de synchroni- sation et de démodulation sont aisément transposables et assez largement inspirés de ceux du domaine de l’étalement de spectre (DSSS). Une particularité réside néanmoins dans les étapes d’estimation du canal. Le caractère sporadique du signal reçu impose de parcourir la PRP avec un pas tempo- rel d’une finesse proche de celle de la durée de l’impulsion, en contrepartie de l’obtention d’une estimation complète de la réponse impulsionnelle du canal, laquelle pourra être - gorithmes d’estimation du temps d’arrivée (ToA), voire de localisation. Certaines approches en rupture ont cependant été proposées afin d’alléger ce processus de synchronisa- tion [2], [3]. Les architectures à échantillonnage direct ou à sous-échantillonnage sur 1-bit [4] bénéficient quant à elles de la puissance des traitements réalisés en numérique et du passage à l’échelle des technologies CMOS avancées, au prix d’un compromis sur les performances. Une autre limita- tion réside dans la nécessité d’avoir recours à une séquence d’étalement afin de reconstruire la réponse impulsionnelle du canal par intégration cohérente ou non-cohérente, limitant d’autant le débit utile. D’autres approches plus particulières de récepteurs non-cohérents à seuil de détection et à temps continu, compatibles avec des modulations par séquences Figure 3 : Principaux choix possibles en matière d’architecture de récepteur IR-UWB. 68 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE récemment dans un contexte bas débit [5]. L’approche par super-régénération [6] est, quant à elle, plutôt indiquée dans le contexte haut débit à courte portée, pour lequel le canal de propagation est essentiellement mono-trajet. Pour ce qui est de l’estimation du ToA et/ou de la détec- tion d’impulsions à des fins de localisation, de nombreux al- gorithmes ont été proposés ces dernières années pour ces différentes architectures de réception IR-UWB [7]. Une atten- tion plus particulière a été portée aux estimateurs adaptés aux récepteurs non-cohérents, tels que les solutions à base de détection d’énergie ED20 . Une approche immédiate consiste à venir comparer l’énergie collectée dans des fenêtres d’inté- gration successives (de la largeur temporelle de l’impulsion unitaire transmise) avec un seuil de détection judicieusement positionné. L’index de la première fenêtre dépassant ce même seuil – en énergie – est alors simplement associé au ToA estimé. Malheureusement, pour des conditions de propaga- tion réalistes, ces techniques énergétiques à base de franchis- sement de seuil sont particulièrement délicates à mettre en œuvre à faible rapport signal sur bruit et interférences SINR21 . Elles souffrent également des collisions dues aux compo- santes multi-trajets trop proches du trajet direct. Un autre point faible réside dans le fait de ne pas exploiter toute la réponse impulsionnelle du canal, mais uniquement des termes d’éner- gie marginaux, traités de manière indépendante. Mais d’autres estimateurs [7], [8], toujours adaptés aux architectures ED, peuvent précisément tirer profit d’une connaissance a priori de certaines statistiques prêtées aux canaux indoor IR-UWB (par exemple la décroissance en puissance moyenne en fonc- tion du temps d’arrivée, la loi sur l’amplitude et les différences de temps d’arrivée des trajets multiples). Ces solutions exploitent l’intégralité du profil énergétique multi-trajets en réception avant de fonder une décision sur le ToA. Elles sont reconnues pour limiter la dispersion de l‘esti- mation autour du véritable « point de départ » temporel du canal (leading edge) sur une plus large gamme de SINR, mais elles ont le mauvais goût d’être résolument paramétriques et donc de nécessiter un modèle a priori, dont la disponibilité et la représentativité sont souvent discutables. Enfin, d’autres méthodes telles que SBS-MC (Serial Backward Search for Multiple Cluster) visent à combattre les multi-trajets au moyen de procédures itératives de détection du premier « maximum » local d’énergie, au sein de fenêtres d’observation positionnées en amont du trajet détecté comme étant le plus fort [7]. Comme pour la démodulation, les architectures à base d’échantillonnage direct [4] autorisent quant à elles aussi bien une détection non-cohérente qu’une 20 ED: Energy Detection. 21 SINR : Signal to Interference and Noise Ratio. détection cohérente directe du premier trajet observable en réception (par exemple sur la base de l’amplitude quanti- fiée du signal acquis ou encore, après corrélation numérique avec une forme d’onde connue a priori). Dans ce dernier cas toutefois, elles nécessitent une cadence d’échantillonnage élevée et demeurent relativement énergivores, sensibles à l’imprécision des horloges, ainsi qu’aux fausses alarmes anti- cipées à faible SINR. Des techniques encore plus sophisti- quées, inspirées d’algorithmes itératifs à haute-résolution dédiés d’ordinaire à l’estimation de canal (par exemple avec effacement successif des derniers échos estimés), peuvent aussi être envisagées avec ce type de récepteur, bien que se montrant très complexes et nécessitant une bonne dyna- mique de représentation du signal reçu [7]. Principales réalisations disponibles sur le marché Une écrasante majorité des produits à base d’IR-UWB disponibles aujourd’hui sur le marché concerne des applica- tions de localisation. En la matière, la société Time Domain22 s’est positionnée depuis le début des années 2000 comme l’un des leaders, en développant et en commercialisant des solutions cohérentes à base de corrélateurs, dont le circuit Pulson® P410 est le dernier disponible sur le marché. Les mesures de distance point-à-point s’appuient sur l’estimation du ToA, ainsi que sur un protocole classique d’échange de paquets TWR (Two Way Ranging). Ces mesures peuvent être effectuées à des portées allant de 35 à 350 m (selon le taux de rafraîchissement, c’est-à-dire de 154 Hz à 8 Hz), avec une précision revendiquée d’environ 3 cm en espace libre (LOS Line Of Sight). Ce dispositif n’est toutefois pas compatible avec la réglementation européenne en raison de la bande RF utilisée (de 3,1 à 5,3 GHz). De plus, le système affiche une consommation importante pouvant s’élever à 4,2 W et un facteur de forme encore conséquent (76 x 80 x 16 mm3 , 58 g par dispositif), liés à un niveau modeste d’intégration. La société Time Domain a plus récemment essaimé avec la création de PLUS Location Systems23 , s’appuyant sur une technologie sensiblement analogue. MultiSpectral Solutions Inc, autre société pionnière du domaine fondée dès 1988, a développé les premières so- lutions relativement atypiques de radiolocalisation IR-UWB, s’appuyant sur des diodes à effet tunnel. Utilisées en récep- tion, ces dernières permettent une détection non-cohérente des impulsions, utile à l’estimation du ToA. Après un rachat en 2008 par la société Zebra Technologies24 , les solutions IR-UWB correspondantes sont désormais commercialisées 22 http://www.timedomain.com/. 23 http://pluslocation.com/. 24 http://www.zebra.com/. REE N°5/2013 69 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée sous l’appellation DART UWB. Il s’agit là d’un système asymé- trique, composé de balises fixes (sensors) interconnectées (via un hub), ainsi que d’étiquettes à localiser (tags). Les per- formances de localisation affichées font état d’une portée de 200 m, pour une précision de 30 cm en espace libre et pour un taux de rafraîchissement de 1 Hz. Ce système opère dans la bande 6,35 à 6,75 GHz. La société Ubisense25 , créée en 2003, propose égale- ment un système asymétrique, composé de capteurs (7000 IP Sensor) permettant de mesurer à la fois le ToA et l’angle d’arrivée AoA26 du signal UWB en provenance d’étiquettes, fonctionnant comme des transpondeurs actifs sur batterie (7000 Tag module) et opérant dans la bande de 6 à 8 GHz. La localisation des étiquettes est ainsi effectuée à partir des données recueillies par au moins deux capteurs de réfé- rence. La technologie IR-UWB est ici exploitée uniquement à des fins de localisation, la transmission de données (liée au contrôle et à la télémétrie) étant gérée par un lien radio clas- sique bande étroite à 2,4 GHz. La portée annoncée s’élève à près de 100 m, pour une précision de localisation de 15 cm au taux de rafraîchissement maximal de 33 Hz. Bien que les étiquettes affichent un facteur de forme intéressant (24,5 x 24,5 x 9,1 mm3 pour 6 g), la consommation des capteurs de référence demeure encore élevée (12 V DC à 1 A). Les diverses solutions recensées ci-dessus visent essen- tiellement des applications de type RTLS (Real Time Location System), assurant la localisation de biens ou de personnes dans les entrepôts et les usines, les bâtiments tertiaires, les espaces commerciaux ou les hôpitaux. D’autres acteurs industriels ont choisi de développer des circuits intégrés IR-UWB pour s’orienter vers des marchés plus grands publics. A titre d’exemple, DecaWave27 , société fabless créée en 2004, développe une solution basée sur la norme IEEE 802.15.4a. Sa puce ScenSor1 s’appuie égale- ment sur une mesure du temps de vol aller-retour RT-ToF28 , conformément aux recommandations stipulées dans le stan- dard. La précision de mesure de distance attendue est de l’ordre de 10 cm avec une portée théorique en visibilité de 450 m. La société BeSpoon29 propose, quant à elle, un circuit intégré IR-UWB PinPointer, respectant la nouvelle réglemen- tation européenne et permettant également l’estimation de distances relatives sur la base de mesures RT-ToF. Cette so- ciété développe également le support logiciel (dont certains algorithmes de localisation) adapté à leur circuit, permettant 25 http://www.ubisense.net/. 26 AoA : Angle of Arrival. 27 http://www.decawave.com/. 28 RT-ToF : Round Trip – Time of Flight. 29 http://bespoon.com/. une intégration et un traitement des données au niveau sys- tème. La précision attendue est de l’ordre de quelques cen- timètres à des portées de plusieurs centaines de mètres. Les deux sociétés précédentes revendiquent, de facto, de très faibles consommations électriques (par exemple, quelques dizaines de mW) ainsi qu’un socle d’applications plus vaste et plus générique, concernant potentiellement des marchés de masse (par exemple via l’intégration aux smartphones), par- mi lesquelles la navigation personnelle dans les bâtiments, la surveillance de biens dans la sphère personnelle quotidienne (PC portable, clés de voiture) ou la sécurité d’individus vul- nérables (enfants sur une plage, systèmes anti car-jacking). Enfin, de très rares sociétés proposent aujourd’hui des solutions IR-UWB de transmission de données haut débit à courte portée, telle que la technologie sans contact Transfer- Jet de Sony30 relevant des standards ECMA-398/39931 , qui autorise des débits physiques de 560 Mbit/s. Ces solutions sont toutefois marginalement représentées et diffusées. Méthodes avancées et résultats récents Localisation très haute précision En réinterprétant d’une part le principe des traitements classiques en phase et quadrature (IQ) dans le contexte IR-UWB et d’autre part un modèle de détecteur s’appuyant sur un double étage de projections du signal reçu sur une base de fonctions sinusoïdales [2], une architecture origi- nale de récepteur IR-UWB a pu être intégrée au CEA-Leti en technologie 0,13 µm CMOS dans la bande 3,2-4,7 GHz [3] (figure 4-a). Dans sa version nominale, ce récepteur dispose d’une forte sensibilité et donc de bonnes capacités de dé- tection du signal à faible rapport signal sur bruit et interfé- rence SINR pour des séquences d’impulsions suffisamment longues, en dépit d’une faible consommation électrique, de l’ordre de quelques dizaines de mW. Ces caractéristiques lui permettent d’assurer des débits d’information adaptables (< 50 Mbit/s) en fonction de la portée visée, cette der- nière pouvant aller jusqu’à plusieurs centaines de mètres. Mais une originalité de ce récepteur réside dans sa capa- cité à apprécier, avec une précision théoriquement infinie, le temps d’arrivée ToA des séquences d’impulsions au sein de fenêtres d’intégration arbitrairement longues, sans nécessiter une cadence d’échantillonnage rapide du signal en réception (limitée à 50 MHz). Dans des conditions idéales d’espace libre (LOS), cette solution intégrée permet ainsi de mesurer des distances entre dispositifs (point-à-point) sur la base du RT-ToF, avec une erreur de quelques centimètres seulement (figure 4-b). Mais l’architecture complète émetteur/récepteur 30 http://www.transferjet.org/. 31 Close Proximity Electric Induction Wireless Communications. 70 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE peut encore être améliorée avec l’ajout d’antennes multiples en émission et/ou en réception (cf. figure 5-a). Outre les gains de diversité et de sensibilité escomptés (et donc en portée), cet ajout doit permettre, en réception, l’estimation conjointe du ToA et de l’angle d’arrivée (AoA) (cf. figure 5-b) ou encore un filtrage spatial des trajets multiples secondaires via des techniques de formation de faisceau [9], par exemple au niveau de stations de base fixes pour des applications de logistique industrielle. Transmission très haut débit à courte portée Dans un contexte de transmission haut débit à courte por- tée, il est nécessaire de concevoir un récepteur IR-UWB qui puisse répondre à certaines contraintes supplémentaires. La première de ces contraintes concerne la base de temps dispo- nible, la synchronisation entre l’émetteur et le récepteur devant être extrêmement précise. Une solution pour réduire au maxi- mum la consommation électrique consiste, alors, à associer au lien radio IR-UWB haut débit un lien bande étroite supplémen- taire, tel que ceux utilisés classiquement en RFID UHF (Ultra High Frequency) à 900 MHz ou HF (High Frequency) à 13,56 MHz. Ce dernier permet de fournir la référence de temps com- mune aux deux extrémités du lien IR-UWB. De plus, à courte portée, la transmission RFID peut être également exploitée afin de garantir une télé-alimentation du système. Dès lors, une contrainte forte pèse sur la consommation énergétique de l’émetteur/récepteur IR-UWB. Par ailleurs, les faibles niveaux de puissance émise tolérés par la réglementation constituent un réel défi pour le récepteur, qui doit être capable de détecter des impulsions de très faible amplitude, sous la contrainte de la télé-alimentation déjà citée. L’architecture RF à base de su- per-régénération constitue alors une solution pertinente pour répondre à ce double challenge. Ces dernières années, de telles architectures ont montré principalement leur intérêt en termes de basse consomma- tion pour des applications à bande étroite. Il a toutefois pu Figure 4 : Architecture de réception « Double I/Q » à haute précision temporelle (a) et performances expérimentales (sur banc de test) d’estimation du temps d’arrivée des impulsions [3]. (a) (b) (a) (b) Figure 5 : Parallélisation de chaînes de réception « Double I/Q » (a) pour l’estimation d’angle d’arrivée (b), conjointement à l’estimation du temps d’arrivée [9]. REE N°5/2013 71 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée être démontré que cette architecture était particulièrement adaptée aux problématiques IR-UWB. La solution adoptée est basée sur un oscillateur en limite de stabilité qui réagit de façon atypique à une sollicitation extérieure permettant la détection de signaux, tout en fournissant un gain quasi-in- fini avec un minimum d’énergie en entrée du système. Alors que le super-régénérateur présentait l’inconvénient majeur d’une bande passante trop large par rapport à la bande du signal modulé dans un contexte de bande étroite (rendant vulnérable la communication aux perturbateurs voisins, ainsi qu’au bruit accumulé dans la bande), cette propriété peut, au contraire, représenter un avantage intéressant dans le cas IR-UWB, le signal occupant par définition plusieurs centaines de MHz de bande passante. En outre, le super-régénérateur échantillonne naturellement le signal d’entrée, en étant sen- sible à une portion seulement de l’énergie injectée sur la porteuse sinusoïdale, correspondant à la phase où l’oscilla- teur se trouve en limite d’instabilité. Cette autre caractéris- tique s’avère aussi adaptée aux systèmes IR-UWB, dans la mesure où l’énergie se retrouve « efficacement » concentrée pendant la seule durée de l’impulsion. On peut alors éga- lement démontrer que la fonction de sensibilité temporelle présente, sous des conditions d’excitation particulières, une forme adaptée – au sens d’une maximisation du SINR – à l’impulsion à détecter en bande de base. La couche physique développée en [6], dont un schéma bloc est illustré sur la figure 6, s’appuie sur une communication IR-UWB basée sur ce principe, assurant une liaison radio à haut débit de 112 Mbit/s sur les deux liens, montant et descendant. Un émetteur à bande étroite inclus dans le lecteur, envoie une fréquence porteuse (900 MHz ou 13,56 MHz) qui est exploi- tée dans les deux modules pour l’extraction d’énergie d’une part et la synchronisation en fréquence du lien radio d’autre part. La télé-alimentation garantit l’autonomie de l’étiquette. La distance de communication, tributaire de la méthode de récupération d’énergie, est réduite à quelques centimètres. En d’autres termes, l’échange d’information sur le lien IR-UWB se fait de manière locale dès lors que la source d’énergie (bande étroite) est détectée à proximité. La synchronisation en fré- quence, basée sur une extraction d’horloge commune (au lec- teur et à l’étiquette), offre une granularité temporelle de l’ordre de la nanoseconde, compatible avec les signaux IR-UWB. Ceci permet de simplifier le traitement des données et les modules de communication, tout en réduisant la consomma- cyclique ajustable entre 2 % et 22 % (selon le débit visé), per- met de minimiser encore davantage la consommation, aussi bien en émission qu’en réception. Selon la commande d’acti- vation digitale (bloc de quench), l’oscillateur se positionne en mode émission ou réception. Une symétrie parfaite entre les deux fonctions est assurée, permettant de mettre en place une liaison bidirectionnelle s’appuyant sur des protocoles de communication originaux, ainsi que d’avoir un même compo- sant utilisable indifféremment en tant que lecteur ou étiquette. Il n’y a, de ce fait, pas de contrainte particulière au niveau du lien radio entre une phase d’écriture ou de lecture. La bande de fréquences utilisée, centrée autour de 8 GHz, permet d’en- visager un déploiement international de cette solution. Sur le plan applicatif, le circuit intégré radiofréquence réa- lisé au CEA-Leti permet d’échanger des données entre un lecteur, typiquement intégré dans un téléphone portable, et une mémoire passive de type étiquette RFID32 , avec une capacité de transfert de 10 à 100 fois supérieure à celle de systèmes RFID conventionnels. Exemple de compromis Si dans les deux exemples précédents, les architectures IR-UWB retenues étaient relativement typées, certaines ini- 32 http://research.nokia.com/news/9393. Figure 6 : Schéma de principe du circuit radiofréquence UWB-RFID à base de super-régénération pour les applications de mémoire haut débit télé-alimentée. 72 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE tiatives récentes visent à développer des systèmes jouissant conjointement des deux fonctions, moyennant quelques compromis de conception supplémentaires. Il s’agit d’assu- rer le suivi de la position d’objets en temps réel dans un entrepôt (RTLS) à l’aide d’étiquettes RFID IR-UWB semi-ac- tives, voire passives [10]. Schématiquement, un tel système se compose d’émetteurs-lecteurs disposés en grille, formant une infrastructure. Dans chacun des carrés (10 m x 10 m) de cette même grille, des étiquettes sont localisées au moyen de lecteurs, disposés aux quatre coins. La précision visée est, dans ce cas également, centimétrique. Une première diffi- culté réside alors dans la nécessité de disposer d’une très grande sensibilité au niveau du lecteur. L’étiquette RFID se comportant comme un simple réflecteur du signal IR-UWB (c’est-à-dire via une simple modulation de la charge présen- tée à l’antenne), l’atténuation linéaire de la puissance utile, au lieu d’être inversement proportionnelle au carré de la dis- tance, c’est à dire en ~ 1/d2 (cas idéal de l’espace libre pour un émetteur et un récepteur distant de d) évolue plutôt en ~ 1/d4 . Le lecteur reçoit donc une puissance de rétro-mo- dulation de la part de l’étiquette à 10 m équivalente à celle d’un émetteur actif situé à 100 m. Ce très faible signal est de plus noyé parmi des signaux interférents forts, prove- nant de réflexions générées par l’environnement proche du lecteur, ainsi que par d’autres émetteurs-lecteurs. Pour atteindre ce niveau de sensibilité, on considère alors de lon- gues séquences d’impulsions et donc des débits très faibles (de l’ordre du kbit/s). Par rapport à l’architecture de la fig- ure 4-a, la dynamique du convertisseur analogique-numé- rique devra également être augmentée afin de supporter les très faibles SINR. Par ailleurs, un lien UHF parallèle permet de faciliter la synchronisation du signal IR-UWB au niveau symbole entre le lecteur et l’étiquette, de façon similaire à la solution de la figure 6. Une autre difficulté réside dans la très basse consommation attendue au niveau du tag. En particulier, on doit pouvoir générer une fréquence de rétro- modulation suffisamment précise. En marge de ces points bloquants, certaines parties traditionnellement délicates en IR-UWB, comme la synchronisation au niveau impulsion, sont par contre simplifiées en l’absence de décalage de fréquence entre l’émetteur et le récepteur, le lecteur recevant les impul- sions qu’il a lui-même émises. Perspectives et questions ouvertes à la recherche Techniques de localisation Malgré le fort pouvoir séparateur des signaux IR-UWB vis-à-vis des trajets multiples, et indépendamment des performances intrinsèques des récepteurs envisagés, les conditions locales de propagation et les irrégularités radio jouent encore un rôle déterminant sur les performances de localisation dans une majorité d’environnements applicatifs, pour des cas non-contrôlés d’utilisation (par exemple dispo- sitif radio porté en main par l’utilisateur ou placé dans une poche). En pratique, l’obstruction des liens radio IR-UWB, par le corps ou les murs, ou une orientation défavorable du dispositif peuvent ainsi donner lieu à des bruits transitoires ou à des biais significatifs, venant altérer les mesures de dis- tances et, in fine, les positions estimées. A partir de l’ana- lyse de la structure du canal radio IR-UWB indoor, certaines études récentes mettent toutefois en évidence la corrélation spatio-temporelle des composantes multi-trajets pour un régime de mobilité établi et pour des déplacements de faible amplitude, le comportement erratique et ponctuel des cas d’obstruction les plus sévères liés, par exemple, à des élé- ments métalliques du mobilier, ou encore l’effet quantifiable du corps humain sur les performances. Ces informations peuvent s’avérer constructives dans la perspective d’amélio- rer la précision de localisation IR-UWB. De nouvelles approches, s’appuyant sur les profils mul- ti-trajets reçus complets et/ou sur la poursuite des multi- trajets les plus significatifs, ont ainsi vu le jour récemment. Certaines d’entre elles tentent par exemple, au sein de filtres de poursuite adaptés, de décrire le comportement des biais dynamiques affectant le ToA du premier trajet en situation NLOS sous la forme de processus stochastiques, voire semi- déterministes (en fonction d’informations angulaires synthé- tiques au niveau du récepteur mobile, selon la direction de déplacement) [8]. D’autres solutions s’inspirent de méthodes radars mono/bi-statiques ou de techniques de d’imagerie à base d’antennes multiples [11]. D’autres techniques avancées de localisation mono-ancrage s’appuient, quant à elles, sur la connaissance préalable du plan du bâtiment et sur une prédiction locale des ancres virtuelles associées à des trajets réfléchis significatifs (à des ordres d’interaction arbitrairement élevés), en appliquant des méthodes de filtrage (filtres de - sis Density filtering) et d’association de données (Optimal Sub-Pattern Assignment) [12]. De manière duale, d’autres solutions proposent encore d’exploiter le lien déterministe et géométrique entre les temps d’arrivée des trajets simple- ment réfléchis et les positions relatives des dispositifs radio au sein de pièces rectangulaires, afin d’assurer des fonctions conjointes et coopératives de cartographie indoor et de pour- suite des nœuds radio [7]. Certaines alternatives se concentrent principalement sur le traitement des situations d’obstruction radio. Il s’agit par exemple de méthodes d’apprentissage des signatures radio REE N°5/2013 73 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée IR-UWB en certains points connus de l’espace (fingerprin- ting) [7], dont plusieurs variantes récentes (avec ou sans dé- tection préalable des cas NLOS et/ou réjection des mesures correspondantes) s’appuient par exemple sur des réseaux artificiels de neurones (ANN) ou des méthodes dites de Sup- port Vector Machine (SVM). Mais ces méthodes nécessitent une phase de calibration in situ relativement lourde (le cas échéant, des outils de prédiction puissants) et s’avèrent, en définitive, peu flexibles face aux changements de l’environ- nement. Plus simplement, on peut aussi chercher à réduire les zones d’ombre liées aux situations de non-visibilité pro- fondes les plus rédhibitoires, en étendant ainsi la couverture du service de localisation. A titre d’exemple, dans un envi- ronnement industriel très obstrué, on peut ainsi localiser des étiquettes actives à partir de relais non-régénératifs dont les diagrammes antennaires sont fortement asymétriques (om- nidirectionnels dans le sens entrant, vis-à-vis des tags, et très directifs dans le sens sortant, vers les lecteurs fixes), en maxi- misant la vraisemblance d’un signal reçu agglomérant signaux directs et signaux relayés [13]. La gestion de multiples modalités et la fusion de données hétérogènes apparaît enfin comme un axe important de re- cherche en matière de localisation IR-UWB. On se propose par exemple d’exploiter de multiples métriques radio pour une même technologie, voire pour un même lien, ou de mul- tiples standards radio colocalisés dans un même environne- ment, au sein de réseaux sans fil hétérogènes [14]. Dans ce deuxième cas, un enjeu dépassant le simple cadre IR-UWB consiste à tirer profit de la diversité spatiale et de la redon- dance d’informations autorisées par la coopération entre mo- biles, de façon parcimonieuse et opportuniste, en fonction de la connectivité disponible. Il s’agit également de minimiser l’impact collatéral vis-à-vis des communications, que ce soit en termes de consommation, de latence et ou de congestion du réseau, imputables au trafic et à la signalisation dédiés à la fonction de localisation. On envisage alors d’appliquer des mécanismes de sélection de liens ou d’autocensure, à l’émission comme à la réception, entre de multiples utilisa- teurs mobiles. Une autre stratégie récemment mise en avant propose de s’appuyer sur des mesures issues de centrales inertielles pourvues d’accéléromètres et de gyroscopes, voire de magnétomètres. Ces données viennent en complément de métriques radio IR-UWB telles que le ToA, la différence de ToA (TDoA), voire l’angle d’arrivée AoA [8], [15]. Diffé- rentes stratégies de fusion et différents types de filtrage sont alors possibles, selon l’architecture de déploiement, l’asyn- chronisme des capteurs et des sous-systèmes constitutifs, ou bien encore, selon le type de prétraitement envisagé sur les données brutes, en amont de la fusion. L’apport de l’inertiel est d’ores et déjà avéré expérimentalement, a fortiori pour les cas pathologiques donnant lieu à une mauvaise dilution géométrique de la précision (GDOP)33 et/ou en situation de non-visibilité radio généralisée (vis-à-vis de toutes les balises fixes simultanément). Cette dernière remarque ouvre d’ail- leurs des perspectives intéressantes en faveur d’une gestion adaptative et contextuelle de la fusion, permettant de mini- miser la consommation et la complexité embarquée. Enfin, la question du choix entre systèmes uniquement dédiés à la localisation ou systèmes hybrides (alliant com- munication et localisation) demeure ouverte et se trouve très largement tributaire de l’application finale envisagée, notam- ment en termes de portée. Dans tous les cas, il est bien en- tendu qu’un quota minimum de données est nécessaire, en lien avec la signalisation et/ou la réalisation des mesures de radiolocalisation elles-mêmes (valeurs des horloges locales échangées pour l’estimation du temps de vol aller-retour, fac- teur de mérite reflétant la qualité de la mesure…). De plus, à très longue portée, on augmentera la longueur des en-têtes de synchronisation, sur lesquelles s’appuie l’estimation du temps d’arrivée, réduisant d’autant le débit utile sur ce seul lien IR-UWB. Conception radio Sur le plan de la conception, les diverses limitations qui per- durent dans les bandes historiques (régulation des masques d’émission et des taux d’activité entre 3 et 5 GHz) incitent aujourd’hui à faire migrer les systèmes IR-UWB vers la bande haute autour de 7,25-8,5 GHz, disponible dans toutes les ré- gions du monde. Dans ces gammes de fréquences, le choix d’architecture d’émetteur et de récepteur est surtout contraint par les performances des technologies CMOS actuelles. Le compromis entre coût, consommation, surface et performance est tel que les technologies envisagées aujourd’hui vont de 65 nm à 130 nm. Si les récepteurs cohérents à base de conver- sion IQ (avec un mélangeur en quadrature) et les synthétiseurs de fréquences associées semblent offrir des performances compétitives, d’importants challenges demeurent concernant la minimisation du bruit de phase d’une part et l’optimisa- tion du facteur de bruit du récepteur d’autre part [16], tout en conservant une consommation correcte (c’est-à-dire limitée à quelques dizaines de mA). Par ailleurs, afin d’améliorer encore plus avant l’efficacité énergétique, il est nécessaire de contrôler dynamiquement la consommation des blocs, y compris la syn- thèse de fréquence, en exploitant un duty cycling en phase avec la sporadicité du signal traité [17]. La perspective d’une consom- mation de quelques mA seulement en réception semble donc 33 Geometric Dilution of precision. 74 REE N°5/2013 L’ULTRA LARGE BANDE IMPULSIONNELLE atteignable à terme. Les récepteurs non-cohérents à détection présentent, quant à eux, un intérêt certain en termes de sur- face et de tolérance au bruit de phase, ainsi que de consom- mation, puisque ne nécessitant pas de synthèse de fréquence RF précise. Les principaux challenges résident dès lors dans la performance globale en sensibilité et dans la résistance aux interférences. Cependant, les enjeux essentiels en matière de conception radio IR-UWB semblent aujourd’hui principalement du côté de l’émetteur. En effet, compte tenu du très net poten- tiel compétitif de tels émetteurs en termes de consommation (quelques mA), les impulsions émises doivent pouvoir être plus efficacement et plus largement contrôlées, afin de respecter dans tous les cas les contraintes de gabarit spectral imposées. Bien que ces contraintes soient relâchées en bande haute, leur respect n’en reste pas moins délicat dès lors que l’on cherche à optimiser le rendement de l’émetteur. Par ailleurs, l’émetteur doit pouvoir émettre des impulsions d’amplitude suffisante, de l’ordre de grandeur de la tension d’alimentation du cir- cuit, ce qui implique des défis techniques d’une part sur l’ali- mentation et d’autre part sur les connexions RF avec l’antenne [18]. Enfin, le traitement numérique en bande de base devra, autant que faire se peut, être reconfigurable afin d’optimiser la consommation et la dynamique en fonction du débit (de 100 kbits/s à 26 Mbits/s en IEEE 802.15.4a). Il devra égale- ment piloter agilement la partie analogique, afin de réaliser le duty cycling optimal souhaité. Moyennant la résolution des challenges évoqués ci-dessus, la consommation moyenne d’un émetteur-récepteur IR-UWB performant en sensibilité pourrait donc, à terme, se situer autour de quelques mA seulement. Dans cette perspective, la technologie deviendrait compatible avec des systèmes à récupération d’énergie et serait largement compétitive par rapport à des solutions plus classiques à 2,4 GHz (par exemple ZigBee), tout en offrant des services supplé- mentaires (débits variables et localisation précise). Tous ces éléments nous font dire que l’IR-UWB est parve- nue à un moment charnière de son histoire, en forme d’« âge de raison ». Reste à savoir si ce dernier saura se transformer en « âge d’or » dans les prochaines années. Remerciements Les auteurs tiennent à remercier tous les membres de l’équipe UWB du CEA-Leti, et plus particulièrement M. Pezzin, B. Piaget, F. Hameau, G. Masson, B. Gomez, D. Morche, Références [1] ECC/DEC/(06)04 ECC Decision, “The Harmonised Con- ditions for Devices using UWB Technology in Bands Below 10.6 GHz”, Approuvé mars 2006 - Amendé dec. 2011. [2] S. Paquelet, L.-M. 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Dardari & al., “Enhanced Localization Coverage with Non- Regenerative UWB Relays”, Proc. EUSIPCO’12, pp. 534-538, Bucarest, août 2012. [14] M. Laaraeidh, “Contributions on Hybrid Localization Techniques for Heterogeneous Wireless Networks”, Thèse de Doctorat, Univ. Rennes 1, Rennes, déc. 2010. [15] S. Pittet & al., “UWB and MEMS based indoor navigation”, Journal of Navigation, vol. 61, no .3, pp. 369-384, 2008. [16] M. Battista & al., “High-Voltage-Gain CMOS LNA For 6–8.5-GHz UWB Receivers”, IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol. 55, is.8, pp. 713-717, août 2008. [17] X. Wang & al., “A High-Band IR-UWB Chipset for Real-Time REE N°5/2013 75 La technologie UWB radio impulsionnelle : un état des lieux des solutions en matière de localisation haute précision et de transfert de données à courte portée Duty-Cycled Communication and Localization Systems”, Proc. IEEE A-SSCC’11, pp. 381-384, Jeju, nov. 2011. [18] O. Fourquin & al., “Chip On Board 3-10-GHz Impulse Radio Ultra Wideband Transmitter With Optimized Die to AntennaWireBondTransition”,IEEETrans.onComponents, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 3, no . 5, pp. 749-758, mai 2013. Benoît Denis a reçu les diplômes d’ingénieur, de DEA et de doctorat de l’INSA de Rennes, en 2002 (x2) et 2005 respec- tivement. Il a réalisé sa thèse au CEA-Leti (Grenoble) sur la radiolocalisation Ultra Large Bande. Depuis fin 2005, il travaille en tant qu’ingénieur de recherche à Minatec (Grenoble), pre- nant part à divers projets européens ICT FP6/FP7 (PULSERS 1 & 2, eSENSE, SENSEI, eUWB, SELECT, WHERE 1 & 2). Il coor- donne actuellement le projet ANR CORMORAN, portant sur la coopération dans les réseaux corporels sans fil. Ses recherches concernent les technologies radio bas débit, les fonctions conjointes de communication et de radiolocalisation dans les réseaux de capteurs et les réseaux hétérogènes, les algo- rithmes de positionnement et de poursuite, la fusion de don- nées, la modélisation du canal de propagation et la conception de protocole inter-couches. François Dehmas a reçu le diplôme d’ingénieur de Supé- lec en 2000. Il a ensuite intégré le CEA-Leti (Grenoble) pour travailler sur l’augmentation des débits des systèmes RFID à 13,56 MHz. Par la suite, ses travaux ont aussi porté sur la couche physique (IEEE 802.15.4, Bluetooth-LE) des réseaux de capteurs sans fils (modélisation de liens, développement de la partie bande de base numérique du récepteur). Toujours sur la partie bande de base numérique, depuis 2009, il travaille sur les systèmes IR-UWB. Michael Pelissier a reçu son diplôme d’Ingénieur ENSERG de l’Institut national Polytechnique de Grenoble (INPG) ainsi que son DEA en parallèle en 2003. Après une expérience à Philips semi-conductor aux Pays-Bas, il rejoint le CEA-LETI Minatec où il effectue son doctorat en optique et radiofré- quence. Il reçoit son diplôme de docteur en 2006 de l’INPG. Il intègre par la suite les équipes permanentes du CEA-LETI pour travailler dans le domaine de conception d’architectures et de circuits radiofréquences. Il travaille sur les technologies Ultra Large Bande (ULB) et les solutions mixtes ULB-RFID. Plus généralement, ses domaines de compétence concernent la spécification et la conception d’architectures de réception radiofréquence. Les sujets de recherche menés abordent les solutions de radio échantillonnées pour des systèmes com- municants basse consommation. Les applications envisagées couvrent les réseaux locaux ou systèmes de radio privée. Il est auteur d’une vingtaine de publications internationales, quatre brevets et deux chapitres dans des ouvrages de la collection SEE et a reçu le grand prix général Ferrié 2011. Laurent Ouvry a reçu les diplômes d’ingénieur de Supélec et de DEA de l’Université de Rennes, respectivement en 1994 et 1995. Il a intégré le CEA-Leti (Grenoble) en 1998 pour mener des travaux de recherche sur l’étalement de spectre par séquence directe et CDMA. Responsable du laboratoire de communications numérique de 2001 à 2009, il a contribué à plusieurs projets nationaux et européens dans le domaine des réseaux de capteurs sans fils (ICT eSENSE, SENSEI), de l’UWB impulsionnel (ICT UCAN, PULSERS, EUWB, SELECT) et des réseaux BAN (ANR BANET, RUBY). Membre du groupe de standardisation IEEE 802.15, il a participé à l’élaboration des standards IEEE 802.15.4a et 802.15.6. Depuis 2010, ses travaux portent sur le développement de circuits intégrés IR- UWB pour la localisation. LES AUTEURS