1) Introduction :pourquoi l’UWB est une rupture radio et non une simple évolution du Bluetooth
L’Ultra-Wideband (UWB) est une technologie radio fondamentalement différente des systèmes étroits ou à étalement de spectre classiques. Là où le Wi-Fi,le Bluetooth ou le LoRa modulent une onde porteuse continue,l’UWB repose sur l’émission d’impulsions extrêmement courtes (de l’ordre de la nanoseconde),occupant une bande fréquentielle très large. Cette approche confère à l’UWB une résolution temporelle exceptionnelle,permettant des mesures de distance et de position avec une précision centimétrique inatteignable par RSSI ou CSI. L’UWB n’est pas une technologie de débit,mais une technologie de temps et de distance.
2) Définition normative et cadre réglementaire
2.1 Définition stricte UWB
Une transmission est qualifiée UWB lorsque sa bande occupée excède 500 MHz ou que sa largeur relative dépasse 20 % de la fréquence centrale. Cette définition est formalisée par la FCC et reprise par les cadres ETSI.
2.2 Normes principales
| Norme | Rôle |
|---|---|
| IEEE 802.15.4a | Base PHY UWB |
| IEEE 802.15.4z | Améliorations ranging et sécurité |
| ETSI EN 302 065 | Réglementation européenne |
| FCC Part 15 | Réglementation US |
3) Spectre UWB :bandes,canaux et contraintes de puissance
3.1 Bande UWB globale
L’UWB exploite typiquement la plage 3,1 GHz à 10,6 GHz,fragmentée en canaux normés.
| Canal | Fréquence centrale (GHz) | Bande occupée |
|---|---|---|
| 5 | 6,5 | ≈500 MHz |
| 9 | 8,0 | ≈500 MHz |
| 13 | 9,5 | ≈500 MHz |
3.2 Puissance spectrale
L’UWB est limité par une densité de puissance extrêmement faible,typiquement −41,3 dBm/MHz. Cette contrainte permet une coexistence quasi transparente avec les autres radios,au prix d’une portée volontairement limitée.
4) PHY UWB :impulsions,temps et corrélation
4.1 Impulse Radio UWB
L’UWB utilise des impulsions de durée sub-nanoseconde. La largeur de l’impulsion détermine directement la résolution temporelle. Une impulsion de 1 ns correspond à une résolution spatiale théorique de 30 cm,et des techniques de corrélation permettent d’atteindre quelques centimètres.
4.2 Modulation
| Schéma | Description |
|---|---|
| BPSK | Phase binaire sur impulsion |
| BPAM | Amplitude binaire |
| PPM | Position de l’impulsion |
Les implémentations modernes combinent BPSK et PPM pour maximiser robustesse et précision.
5) Mesure de distance :fondements physiques
5.1 Time of Flight (ToF)
La distance est calculée par mesure du temps de propagation d’un signal entre deux nœuds. À la vitesse de la lumière,1 ns correspond à environ 30 cm. L’UWB mesure des différences de temps bien inférieures à la nanoseconde.
5.2 Two-Way Ranging (TWR)
Le TWR consiste en un échange bidirectionnel horodaté,permettant d’éliminer la dérive d’horloge. IEEE 802.15.4z introduit des optimisations réduisant la latence et améliorant la précision.
5.3 TDoA et PDoA
| Méthode | Principe | Usage |
|---|---|---|
| TDoA | Différence de temps d’arrivée | Localisation multi-ancres |
| PDoA | Différence de phase | Angle of Arrival |
6) Précision et erreurs réelles
| Facteur | Impact |
|---|---|
| Multipath | Faible impact grâce aux impulsions courtes |
| NLOS | Erreur mais détectable statistiquement |
| Horloges | Compensées par TWR |
En environnement industriel,une précision de 5 à 10 cm est réaliste.
7) Sécurité :distance-bounding et anti-relay
7.1 Problème du relay attack
Les technologies basées sur RSSI ou BLE sont vulnérables aux attaques par relais. L’UWB mesure le temps physique de propagation,ce qui rend ces attaques quasi impossibles.
7.2 IEEE 802.15.4z Secure Ranging
Le standard 4z introduit des séquences cryptographiquement aléatoires dans le processus de ranging,empêchant toute falsification temporelle.
8) Consommation énergétique
| Mode | Consommation |
|---|---|
| Idle | Très faible |
| Ranging | Pic court mais élevé |
| Moyenne | Compatible batterie bouton |
L’UWB consomme plus que le BLE à l’instant T,mais reste très efficace sur des cycles courts.
9) Architecture système UWB
| Composant | Rôle |
|---|---|
| Tag | Objet mobile |
| Ancre | Référence spatiale |
| Engine | Calcul position |
| Backend | Exploitation |
10) Écosystème industriel et silicon vendors
| Acteur | Produit |
|---|---|
| NXP | Trimension SR040 |
| Qorvo | DW3000 |
| Apple | U1 |
| Samsung | Exynos UWB |
11) UWB vs BLE AoA/AoD vs RFID
| Critère | UWB | BLE AoA | RFID |
|---|---|---|---|
| Précision | 5–10 cm | 0,5–1 m | Variable |
| Sécurité | Très élevée | Faible | Faible |
| Complexité | Élevée | Moyenne | Faible |
12) Cas d’usage industriels majeurs
- RTLS industriel
- Clé numérique automobile
- Accès sécurisé bâtiment
- Robotique collaborative
- Jumeaux numériques temps réel
13) Limites structurelles
L’UWB n’est pas conçu pour la longue portée ni pour le débit massif. Il nécessite une infrastructure d’ancres et une calibration précise.
L’UWB est aujourd’hui la technologie de localisation radio la plus précise et la plus sécurisée disponible à l’échelle industrielle. Elle transforme la radio en instrument de mesure du monde physique. Dans les systèmes cyber-physiques modernes,l’UWB n’est pas une option,mais une brique stratégique.