Quelle est la différence entre Bluetooth et UWB pour les données à haut débit et le multimédia ?

Pendant près de 20 ans, Bluetooth a dominé en tant que technologie à courte portée pour les appareils connectés sans fil. Mais les avantages de l’UWB en termes de latence et d’efficacité énergétique en font une alternative convaincante, avec un flux de données plus rapide et plus libre et une faible consommation d’énergie.

Frederic Nabki, PhD

Ce que vous apprendrez :
Une comparaison entre Bluetooth et UWB pour le positionnement.
Les avantages de l’UWB pour les données à haut débit et les communications multimédias.
Les différences entre Bluetooth et UWB pour les jeux, l’audio et les applications IoT.
Les technologies sans fil à courte portée Bluetooth et UWB se sont toutes deux imposées au début du siècle, et leur développement a été motivé par le besoin constant de réduire la consommation d’énergie et de prolonger la durée de vie des batteries pour une prolifération sans fin d’appareils connectés sans fil.

La norme Bluetooth Low Energy (BLE) a été ratifiée en 2006 pour remédier aux déficiences du Bluetooth en matière de consommation d’énergie. Plus récemment, Bluetooth 5.2 a ajouté des fonctions visant à réduire la consommation pour des applications ciblées telles que l’audio. Toutefois, ces modifications sont strictement progressives. Fondamentalement, les réductions de la consommation d’énergie sont physiquement limitées par l’architecture Bluetooth – un émetteur-récepteur basé sur une porteuse nécessitera toujours une quantité importante d’énergie pour démarrer, stabiliser et maintenir son oscillateur RF.

La figure montre les deux importantes pénalités de puissance inhérentes à toutes les architectures radio à bande étroite, y compris Bluetooth.

Il s’agit des deux principales pénalités de puissance inhérentes à toutes les architectures radio à bande étroite, y compris Bluetooth.
Premièrement, la surcharge de l’oscillateur à cristal (en bas à gauche) paralyse les performances à faible débit de données. Bluetooth utilise un oscillateur à cristal de ~20 MHz, qui nécessite quelques milliwatts pour être alimenté. Lorsqu’elles sont optimisées efficacement, les radios UWB peuvent fonctionner avec des impulsions qui ne nécessitent pas d’oscillateur à cristal à haute fréquence et peuvent être conçues pour fonctionner avec un faible surcoût de consommation d’énergie lié à la synchronisation. Cependant, la technique d’optimisation UWB joue un rôle important, et il s’agit donc d’un domaine qui devrait faire l’objet d’un examen approfondi.

De nombreuses mises en œuvre de la technologie UWB actuelle doivent en fait utiliser des oscillateurs à cristal de fréquence plus élevée que celle requise pour le BLE. En revanche, les implémentations UWB avancées peuvent utiliser des oscillateurs à cristal jusqu’à une fréquence de 32 kHz.

Deuxièmement, le surdébit de la porteuse modulée (en haut au milieu du graphique ci-dessus) pénalise les performances à haut débit de données. La transmission d’une grande quantité de données sur un canal à bande passante étroite tel que celui utilisé par les radios Bluetooth nécessite beaucoup de temps et d’énergie.

L’UWB permet de transmettre de grandes quantités de données beaucoup plus rapidement parce qu’elles sont réparties sur une large bande passante, ce qui permet de maintenir l’émetteur en marche pendant une durée beaucoup plus courte et de réduire considérablement la consommation d’énergie. Cela signifie que pour la même quantité d’énergie consommée, l’UWB peut transmettre beaucoup plus de données (tout en haut à droite).

Cela est dû à la dualité temps-fréquence, bien résumée par la transformée de Fourier. En termes simples, cette dualité stipule que si vous avez un signal temporel périodique infiniment long, il aura une largeur de bande infiniment petite. En revanche, si vous disposez d’un signal impulsionnel infiniment court, il aura une largeur de bande infiniment grande. En d’autres termes, il est possible d’échanger du temps contre de la largeur de bande.

La bande ultralarge bénéficie d’un avantage inhérent évident par rapport à la bande étroite, étant donné qu’elle est allouée et prise en charge sur une grande partie du spectre radioélectrique. Un signal UWB est défini comme un signal dont le spectre est supérieur à 500 MHz. Aux États-Unis, la Federal Communications Commission (FCC) a autorisé en 2002 l’utilisation sans licence de l’UWB dans la gamme de fréquences allant de 3,1 à 10,6 GHz.

Les systèmes UWB utilisent des impulsions électromagnétiques de courte durée (c’est-à-dire à l’échelle de la nanoseconde) pour la transmission et la réception de données à grande vitesse sur de grandes largeurs de bande. Ils ont également un cycle de service très faible, défini comme le rapport entre le temps de présence d’une impulsion et le temps total de transmission.

Bluetooth vs. UWB pour le positionnement

Après deux décennies de maturation, Bluetooth est aujourd’hui presque omniprésent sur le marché des appareils sans fil alimentés par batterie, qu’il s’agisse de smartphones/tablettes, d’écouteurs/casques, de périphériques de jeu, de capteurs IoT, etc. Pour les applications sans fil qui pouvaient s’accommoder d’une latence élevée et de signaux audio fortement compressés, Bluetooth a fourni une expérience utilisateur acceptable pour certaines applications sans fil. Cependant, on pourrait dire que Bluetooth a atteint son point de rendement décroissant.

Aujourd’hui, l’UWB apparaît comme un successeur convaincant du Bluetooth/BLE pour la prochaine génération d’applications sans fil à courte portée et à faible consommation d’énergie. Les fabricants d’électronique grand public comme Apple, Samsung et d’autres qui suivront certainement exploitent le spectre UWB pour délivrer des impulsions électromagnétiques dans des applications telles que le positionnement pour le suivi d’objets ou de biens, comme l’illustrent les AirTags d’Apple. Il s’agit d’une application étroite du potentiel technologique de l’UWB, mais néanmoins efficace.

À ce titre, l’UWB mesure le temps de vol (ToF) : une impulsion est envoyée d’un appareil à un autre, et nous mesurons le temps qu’il a fallu entre l’émission et la réception. La distance entre les objets est déterminée en conséquence et peut être mesurée avec une précision de l’ordre de la picoseconde grâce aux puces UWB. Grâce aux antennes embarquées, les mesures peuvent ensuite être corrélées pour déterminer l’angle d’arrivée d’un signal, et les objets « étiquetés » UWB peuvent ainsi être localisés avec une précision de 10 cm seulement.

La technologie Bluetooth est loin d’égaler cette précision, car elle utilise l’intensité du signal reçu (RSS) pour mesurer la distance spatiale. Le RSS est une technique très simple à mettre en œuvre et peut être utilisé par n’importe quel émetteur-récepteur sans fil, ce qui explique pourquoi il est si largement utilisé. Toutefois, sa précision est très limitée : La distance perçue entre deux objets immobiles varie en fonction des obstacles qui se trouvent sur leur trajectoire directe, et le BLE n’offre généralement qu’une précision de positionnement de quelques mètres.

La technologie de positionnement rendue possible par l’UWB, bien qu’extrêmement précise, est extrêmement complexe du point de vue de la conception et donc extrêmement gourmande en énergie. Par conséquent, les puces UWB utilisées aujourd’hui pour le suivi d’objets sont en fait 10 fois moins économes en énergie que les puces/radios Bluetooth. Ainsi, bien que l’UWB soit bien adaptée au positionnement, il s’agit d’une application gourmande en énergie par nature et, en fin de compte, l’UWB n’offre aucun avantage en termes de consommation d’énergie au niveau de l’appareil.

L’UWB pour les données à grande vitesse et la communication multimédia

La dualité temps-fréquence mentionnée ci-dessus montre que le temps et la largeur de bande sont interchangeables. Si l’on veut comprimer le temps d’une transmission sans fil, il faut une plus grande largeur de bande. Cette propriété peut être utilisée pour accroître la précision du positionnement et de la télémétrie, mais ces capacités ne représentent qu’une infime partie du potentiel de l’UWB.

Une autre capacité très intéressante permise par la dualité temps-fréquence est la réduction de la latence dans les systèmes. Cela a d’énormes implications pour d’innombrables applications sans fil à courte portée dans l’avenir.

Les impulsions délivrées sur une bande passante très large garantissent une latence extrêmement faible – ces signaux peuvent être envoyés en quelques microsecondes avec l’UWB, alors que le Bluetooth prendrait des millisecondes. Le résultat final est une communication de données sans fil ultra-efficace. De plus, les implémentations UWB ont démontré une consommation d’énergie au moins 10 fois inférieure à celle du BLE pour les applications sans positionnement.

Les pénalités de latence du Bluetooth ne persisteront que pour des applications telles que les jeux, l’audio et l’IdO, ce qui est la principale raison pour laquelle la connectivité câblée a persisté si obstinément pour les périphériques et les capteurs utilisés dans ces applications. Nous apprécions la liberté de mobilité que nous offre le sans-fil, mais historiquement, il nous a coûté cher en termes de latence/retard, de dégradation du signal et d’épuisement de la batterie.

Jeux

Pour les joueurs, la vitesse est essentielle lorsqu’il s’agit de surpasser ses adversaires, et la latence est donc une préoccupation majeure pour les joueurs invétérés. Lorsque les joueurs appuient sur le bouton de la souris, ils veulent une réponse instantanée, mais Bluetooth ne peut offrir que des vitesses de réponse de 20 à 30 ms dans le meilleur des cas.

En s’appuyant sur la connectivité UWB, SPARK a démontré une latence inférieure à 0,2 ms pour les périphériques de jeu sans fil UWB, et l’entreprise est en bonne voie pour atteindre une latence inférieure à 0,1 ms. C’est bien plus que ce que le Bluetooth peut faire, et c’est même plus rapide que ce que de nombreuses souris câblées USB disponibles dans le commerce peuvent offrir aujourd’hui.

L’audio

En ce qui concerne l’audio, Bluetooth étant limité à une bande passante très étroite, il faut appliquer une compression des données audio pour faire passer un signal audio autrement volumineux dans un tuyau étroit, ce qui dégrade le signal. Les codecs Bluetooth sont intrinsèquement déficitaires, c’est-à-dire qu’une grande partie des données audio de la source est supprimée. Un son de qualité CD est obtenu avec un débit de 1 411 kb/s. Le codec Bluetooth ramène ce débit à environ 300 kb/s pour que le flux audio puisse s’intégrer dans les capacités limitées du débit de données de Bluetooth.

L’UWB permet un débit de données 10 fois supérieur à celui du BLE ; il n’est donc pas nécessaire de compresser le signal audio pour le transmettre sans fil à votre casque UWB. Cela garantit que la scène sonore que l’on peut entendre avec les casques UWB est considérablement plus détaillée que ce qui est possible avec Bluetooth aujourd’hui, et qu’elle est exactement fidèle à la source audio. Ces avantages s’étendent également aux performances musicales en direct – l’UWB libère les musiciens des câbles encombrants sans sacrifier la latence, ce qui permet des performances en direct sans fil.

L’IdO

La durée de vie des batteries des capteurs et des appareils sans fil est aujourd’hui insuffisante pour de nombreuses applications IoT, ce qui entraîne des cycles de recharge trop fréquents, une connectivité limitée, des batteries encombrantes et/ou une maintenance coûteuse. En outre, la longue latence rend le sans-fil inadapté aux applications nécessitant une détection et des communications en temps réel.

Grâce à l’UWB, d’énormes volumes de données de capteurs peuvent être transmis avec une latence 60 fois inférieure et une efficacité énergétique 40 fois supérieure à celle de l’ancienne technologie Bluetooth. Cela est extrêmement bénéfique non seulement pour les applications IdO, mais aussi pour la myriade de bâtiments intelligents, de villes intelligentes et d’applications guidées par l’IA qui se profilent à l’horizon et qui nécessiteront des communications à très haut débit entre des réseaux tentaculaires de capteurs sans fil alimentés par des batteries.

La technologie Bluetooth est aujourd’hui bien implantée et nous a raisonnablement bien servis au cours des deux dernières décennies. Toutefois, les avantages considérables de l’UWB en termes de latence et d’efficacité énergétique en font une alternative convaincante pour toute application sans fil nécessitant une circulation plus rapide et plus libre des données avec une consommation d’énergie minimale. Partout où le Bluetooth réside aujourd’hui – dans d’innombrables applications commerciales et industrielles, depuis nos écouteurs jusqu’à la périphérie – l’UWB peut potentiellement résider demain.

Publié à l’origine sur Electronic Design