Les émetteurs-récepteurs sans fil utilisent UWB pour le transfert de données à faible latence et faible consommation

Alors que la technologie à bande ultra-large (UWB) a jusqu'à présent été présentée par plusieurs fabricants de puces comme une technologie pour les applications à portée fine, une startup basée à Montréal, au Canada, a développé sa propre architecture radio pour utiliser l'UWB pour une latence ultra-faible et ultra-faible alimenter des capteurs Internet des objets (IoT) sans batterie.

Spark Microsystems a annoncé deux puces dans le cadre de sa série SR1000 de circuits intégrés d'émetteur-récepteur sans fil UWB à faible puissance permettant une nouvelle classe d'applications de connectivité sans fil à courte portée pour les produits où la latence des liaisons de communication entrave actuellement une expérience utilisateur immersive complète en temps réel. Par rapport à Bluetooth Low Energy (BLE), qui a généralement un temps d'antenne de quelques millisecondes provoquant une latence notable de dizaines de millisecondes, l'émetteur-récepteur UWB SR1000 peut envoyer 1 Ko de données en seulement 50 µs, ce qui donne une latence sans fil considérablement plus courte dans une large plage d'applications, telles que le streaming audio.

La consommation d'énergie de l'émetteur-récepteur Spark, généralement 1 nJ / bit, est également nettement inférieure à celle du BLE, généralement 40 fois inférieure lorsqu'il fonctionne à 1 Mbps. Avec un taux de transfert de données jusqu'à 10 fois supérieur à celui du BLE, la capacité de 10 Mbit/s de la série SR1000 convient aux applications riches en contenu, telles que le streaming vidéo, où des liaisons à faible latence à large bande passante sont essentielles.

Cela répondra aux exigences de produits tels que les périphériques de jeu et les casques audio et AR/VR, qui devraient autrement être câblés pour atteindre les objectifs de puissance et de latence. Il répond également aux exigences de puissance, de latence et de streaming de données des appareils domestiques intelligents et des capteurs Internet des objets (IoT) sans batterie.

Contrairement à d'autres protocoles sans fil qui fonctionnent dans des spectres sans fil sous licence encombrés, la série SR1000 UWB fonctionne dans la plage de fréquences sans licence de 3,1 GHz à 10,6 GHz en utilisant une densité de puissance faible à large spectre qui est généralement de -41,3 dBm/MHz. Transmettant à des niveaux pouvant être perçus comme du bruit vers d'autres récepteurs, l'approche à large spectre UWB facilite grandement la coexistence sans fil, améliorant encore les caractéristiques de performance de la liaison.

Radios utilisant des impulsions de courte durée plutôt que des fréquences porteuses
Le co-fondateur et CTO de Spark Microsystems, Frederic Nabki, a expliqué à Embedded.com comment ils atteignent les objectifs de puissance et de latence. Il a déclaré que des technologies telles que Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, Z-Wave et même 5G utilisent toutes des fréquences porteuses modulées pour transmettre des données. Ces supports nécessitent un temps considérable pour démarrer et se stabiliser, et un matériel complexe pour s'assurer qu'ils sont en phase et ont de bonnes propriétés de phase ; par conséquent, ils nécessitent une quantité importante d'énergie pour être maintenus.

Spark l'a pris dans une direction différente. Au lieu de porteuses, sa radio utilise des impulsions temporelles qui génèrent des impulsions de 2 ns, et comme la porteuse elle-même ne fait pas directement partie de l'équation, vous n'avez finalement pas à desservir cette porteuse. Il a dit que cela signifie que vous n'avez pas le long temps de démarrage ou les circuits complexes pour gérer ce transporteur. Cela permet un temps de démarrage plus rapide et une transmission de données plus rapide, car les impulsions ne font que 2 ns de large, ce qui signifie que vous pouvez les répéter assez rapidement et qu'elles peuvent également être synchronisées rapidement. Le sous-produit de la nécessité de générer des impulsions de courte durée est que les radios Spark nécessitent une très large bande passante et utilisent les impulsions pour communiquer.

Nabki a déclaré que le défi consistait à savoir comment faire en sorte que l'émetteur et le récepteur s'allument et s'éteignent en quelques microsecondes pour tirer parti de l'action rapide que les impulsions permettent. Il a commenté :« Parce que vous pouvez agir rapidement, vous pouvez faire un cycle d'utilisation agressif de la radio, mais comment garder ces deux radios synchronisées, si vous avez un émetteur et un récepteur que vous allumez et éteignez toutes les 50 µs par exemple ? Nous avons dû trouver une technologie pour résoudre ce problème. Et enfin, comment gardons-nous le système chronométré, pas seulement synchronisé ?"

Toutes les radios sans fil ont besoin d'un cristal de quartz pour leur donner une base de temps suffisamment précise pour qu'elles maintiennent la synchronisation mais aussi pour desservir leurs fréquences porteuses. « Dans notre cas, nous avons travaillé très dur pour tirer parti de la technologie UWB pour nous permettre de fonctionner à partir d'une minuterie à très faible consommation, qui est un cristal de quartz de 32 kHz - essentiellement ce que vous avez dans votre montre, à très faible coût et à très faible consommation. C'est le choix que nous avons fait non seulement pour réduire la puissance de notre émetteur-récepteur, nous voulions également réduire la puissance au niveau du système."

Nabki a également expliqué comment les émetteurs-récepteurs Spark coexistent avec d'autres radios. « Nous savons tous que le Wi-Fi, le Bluetooth, le Zigbee se superposent à 2,4 GHz et que cette bande est vraiment encombrée. La bande 5GHz est également très encombrée. Spark UWB vit entre 3,1 GHz et 10,6 GHz. Son utilisation est gratuite et présente donc le même avantage que Bluetooth, Zigbee et Wi-Fi en n'ayant pas à licencier le spectre. Mais il a des EMI (interférences électromagnétiques) et des émissions beaucoup plus faibles, car si vous regardez la puissance transmise par la radio Spark, c'est environ 1 000 fois moins qu'une radio Wi-Fi et environ 100 fois moins qu'une radio Bluetooth. Cela signifie que cela vous permet de mieux coexister avec d'autres radios, ce qui signifie que pour ces autres radios, vous êtes perçu comme un niveau de bruit, elles ne vous voient pas vraiment, vous êtes en dessous de leur sensibilité. »

Il est important de noter que le talon d'Achille des radios UWB à ce jour a été la sensibilité aux interférences dans la bande. Par conséquent, Nabki a déclaré que Spark a développé des mécanismes de rejet et d'atténuation uniques qui lui permettent d'être insensible aux interférences à bande étroite provenant du Wi-Fi et des bandes cellulaires. "Nous pensons que cela va être une propriété clé de notre système car le Wi-Fi commence à empiéter de plus en plus sur le spectre UWB avec le Wi-Fi 6 et nous sommes prêts pour cela."

Spark a développé deux produits qui sont uniquement des émetteurs-récepteurs. Nabki a expliqué que mettre un cœur de processeur dessus aurait nécessité un effort d'ingénierie supplémentaire, et leur objectif est principalement d'arriver rapidement sur le marché. « Le circuit peut fonctionner avec une batterie, sans avoir besoin de convertisseur DC-DC, tout est sur puce. Vous n'avez besoin de rien d'extérieur à part ce cristal de 32 kHz. Vous avez besoin d'un microcontrôleur hors puce et qui exécute le protocole. Dans notre feuille de route, nous finirons par intégrer le MCU à la puce dans un produit de deuxième génération. »

L'UWB n'est pas seulement un positionnement, il s'agit d'un transfert de données à faible latence et faible consommation
Nabki a expliqué que lorsque lui et son co-fondateur ont commencé il y a une dizaine d'années avec UWB, leur objectif n'était pas le positionnement. « Nous pensions que c'était une fonctionnalité intéressante, mais UWB est bien plus que cela. Il peut permettre une communication à très faible consommation et à très faible latence. Il peut communiquer avec quelques microwatts de puissance, avec une faible latence, et coexister avec le WiFi. Pour nous, le range est là, on peut le faire, et à une puissance bien moindre que les autres gars, mais ce n'est pas forcément la plus haute promesse. La plus haute promesse est le transfert de données avec une latence ultra-faible et une communication ultra-faible consommation. »

Il a dit que bien que les radios de Spark soient propriétaires et pas encore une norme, ils espèrent qu'elle deviendra une norme. « La façon dont les gens ont élaboré la norme UWB aujourd'hui est de se concentrer sur la télémétrie, puis de se demander :comment puis-je créer une radio UWB basée sur les architectures sans fil actuelles. En conséquence, ils se sont retrouvés avec de très grosses machines RF qui consomment beaucoup d'énergie, pas un faible coût, et nous entendons déjà dire que la plupart des constructeurs automobiles réservent la technologie UWB aux voitures haut de gamme à cause de cela. Ce que Spark a fait était très différent. Nous sommes partis d'une ardoise vierge."

Il a dit que la télémétrie est l'une des fonctionnalités que les émetteurs-récepteurs de Spark peuvent faire, mais il existe des applications potentielles plus larges combinant la télémétrie avec la communication ; en outre, ils peuvent permettre une communication à faible débit et à faible latence. Il a ajouté :« Nous pouvons créer des systèmes sans batterie. Personne ne peut avoir un système qui diffuse des données en continu à un débit de données sain avec quelques microwatts de puissance. Nous pouvons mieux faire des systèmes plus traditionnels, comme réduire la consommation d'énergie des appareils de streaming audio."

Le seul facteur que Spark a en commun avec d'autres appareils UWB est l'utilisation du même spectre. "Le reste est vraiment repensé à partir du noyau pour offrir une connectivité sans fil de nouvelle génération pour le réseau personnel, le réseau corporel et l'espace IoT."

Fares Mubarak, le PDG de Spark Microsystems, a expliqué plus en détail. « Nous sommes environ 40 fois inférieurs à Bluetooth Low Energy en termes de consommation d'énergie. Même avec les progrès de Bluetooth 5.1 et 5.2, nous sommes toujours meilleurs de 20 fois par rapport à Bluetooth 5.2. Nous avons une latence 60 fois inférieure. Notre latence est nativement plus faible. Nous pouvons faire 50 µs de temps d'antenne pour 1 Ko de transmission de données. Mais en plus de ceux-ci, nous pouvons atteindre un taux de transmission de données d'un ordre de grandeur plus élevé. Nous avons des EMI (interférences électromagnétiques) inférieures de deux ordres de grandeur, et parce que nous sommes une radio à bande ultra-large, nous pouvons obtenir un positionnement en temps de vol qui peut vous donner une précision de 30 cm sur la portée de la radio à très faible puissance.

S'exprimant sur le marché actuel des appareils UWB, Moubarak a commenté :« UWB est connu aujourd'hui grâce à Decawave, NXP et la dernière puce iPhone U1, toutes connues pour leur positionnement à très faible consommation d'énergie. Ils revendiquent une précision de 10 cm, mais c'est une puissance très élevée, probablement en raison de l'architecture qu'ils utilisent avec la norme 802.15.4z qui est à l'origine de la puissance."

En comparaison, il a déclaré que les émetteurs-récepteurs Spark permettent une précision de 30 cm avec une puissance inférieure de près de deux ordres de grandeur. « Et notre prochaine génération peut également atteindre 10 cm, à faible puissance. Nous nous différencions de l'UWB actuel avec un avantage de puissance significatif. Nous pouvons être une radio de réveil. La plupart des réseaux sans fil d'aujourd'hui sont à haute puissance et nécessitent donc une radio de réveil à très faible puissance ; c'est notamment le cas en UWB, pour réveiller le MCU et la radio. »

Visant les jeux, l'audio et les maisons intelligentes
Moubarak a déclaré que l'objectif de l'entreprise en ce moment est de valider rapidement sa technologie dans l'espace grand public, en particulier dans les hubs de jeux, d'audio et de jeux. Il a donné une certaine perspective pour le jeu. « Si vous regardez l'audio compressé aujourd'hui avec ces écouteurs, vous obtenez près de 200 ms de latence. Nous avons démontré une qualité audio haute fidélité avec une latence inférieure à 5 ms. Totalement non compressé. Dans les périphériques pour souris et claviers, pour lesquels la réactivité est essentielle dans le jeu, et nous avons démontré une latence inférieure à la milliseconde - nous pouvons descendre jusqu'à un quart de milliseconde (250 µs) de latence. »

Pour les maisons intelligentes, les assistants intelligents sont une cible clé en termes de voix et de contrôle. Moubarak affirme qu'il y a pas mal d'évaluations avec des leaders du marché dans ce domaine. Dans les capteurs de sécurité, en particulier pour la sécurité à domicile, il a déclaré que 60% de leur maintenance consiste à remplacer les piles mortes des capteurs. Par conséquent, l'objectif de Spark est de permettre des nœuds de capteurs fiables sans batterie pour les capteurs à faible débit de données nécessaires à la détection de mouvement, aux capteurs de fenêtre et de porte, qui peuvent être alimentés par l'éclairage intérieur.

Dans l'automobile, Moubarak a déclaré que la société avait réalisé des projets NRE pour la preuve de concept afin de répondre aux demandes d'énergie ultra-faibles dans les systèmes de surveillance de la pression des pneus et les télécommandes avec plus de 10 ans d'autonomie.

La série SPARK Microsystems SR1000 comprend deux variantes de produits à broche identique pour s'adapter aux différentes allocations de spectre régionales :le SR1010 pour 3,1 GHz à 6 GHz et le SR1020 pour 6 GHz à 9,5 GHz. La série SR1000 peut également être utilisée pour une variété d'applications de télémétrie et de positionnement en plus de fournir une liaison de données symétrique à faibles émissions, faible consommation et faible latence. Une gamme d'outils d'évaluation, de cartes de développement et de conceptions de référence spécifiques aux applications pour la série SR1000 sont disponibles et facilitent le prototypage rapide des conceptions initiales.