Comparaison des technologies sans fil basse consommation (1re partie)

Note de l'éditeur : la 1re partie de cette série en trois parties abordera en détail les principales options sans fil basse consommation offertes aux concepteurs. La 2e partie traitera des principes de base de conception de chaque technologie, comme la disponibilité de la puce, les piles de protocoles, les logiciels d'application, les outils de conception, les exigences en matière d'antenne et la consommation énergétique/durée de vie de la batterie. La 3e partie de la série abordera les développements actuels et futurs visant à répondre aux défis de l'IoT pour chaque technologie. Elle comprendra également une introduction de quelques nouvelles interfaces et nouveaux protocoles, comme Wi-Fi HaLow et Thread.

Les récents développements ont principalement ciblé la connectivité Internet des objets (IoT) avec des capteurs collectant et communiquant des signaux et des données. Les exemples de produits finaux sont multiples, s'étendant des smartphones et des dispositifs corporels de santé et de fitness (Figure 1) à la domotique, aux instruments de mesure intelligents et au contrôle industriel. Tous ces produits présentent des contraintes de conception, dont une consommation énergétique ultrabasse, un faible coût et un format compact.

Cet article abordera les principales options sans fil basse consommation et leurs différences. Il parlera des principes de base de chaque technologie et de ses principaux attributs de fonctionnement, comme les bandes de fréquence, la prise en charge de la topologie de réseau, le débit, la portée et la coexistence. Des exemples de solutions seront inclus.

Figure 1 : Les dispositifs corporels constituent un secteur de marché clé pour les technologies sans fil basse consommation. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Compromis liés à la basse consommation

Les ingénieurs disposent désormais de nombreux choix en ce qui concerne les technologies sans fil basse consommation, y compris les technologies RF comme Bluetooth Low-Energy, ANT, ZigBee, RF4CE, NFC, Nike+ et Wi-Fi, avec des options infrarouges soutenues par l'IrDA (Infrared Data Association).

Mais ce vaste choix rend le processus de sélection plus difficile. Chaque technologie présente des compromis entre consommation énergétique, bande passante et portée. Certaines sont basées sur des normes ouvertes alors que d'autres restent propriétaires. Pour compliquer les choses, de nouveaux protocoles et de nouvelles interfaces continuent d'émerger pour répondre aux besoins de l'IoT. Le Bluetooth Low-Energy en est un exemple.

Une introduction au Bluetooth Low-Energy (BLE)

Le BLE a vu le jour sous le nom de projet Wibree, réalisé dans le Centre de recherche de Nokia. En 2007, la technologie a été adoptée par le Bluetooth SIG (Special Interest Group), qui a présenté la technologie comme une forme de Bluetooth à consommation énergétique ultrabasse lors de l'introduction de la version 4.0 (v4.0) en 2010.

La technologie a étendu l'écosystème Bluetooth à des applications à faibles capacités de batterie, comme les dispositifs corporels. Avec un courant moyen de l'ordre du microampère dans les applications cibles, elle complémente la version Bluetooth « classique », populaire dans les smartphones, les casques audio et les ensembles clavier-souris sans fil.

La technologie fonctionne dans la bande ISM (industrielle, scientifique et médicale) de 2,4 GHz et est adaptée pour la transmission de données à partir de capteurs sans fil compacts ou d'autres périphériques prenant en charge une communication entièrement asynchrone. Ces dispositifs transmettent de faibles volumes de données (c'est-à-dire quelques octets) par intermittence. Leur rapport cyclique s'étend de quelques fois par seconde à une fois par minute, ou plus.

À partir de la version Bluetooth v4.0, la spécification principale Bluetooth définit deux types de puce : la puce Bluetooth basse consommation et la puce Bluetooth avec une pile modifiée et une couche physique (PHY) à débit de base (BR) ou à débit de données étendu (EDR), comprise dans les versions antérieures et combinée à une couche PHY Low-Energy (LE) [« BR/EDR+LE »], de sorte qu'elle soit interopérable avec toutes les versions et variantes de puce de la norme. Les puces BLE peuvent interagir avec d'autres puces BLE et Bluetooth compatibles avec Bluetooth v4.0 ou des versions ultérieures.

Dans de nombreuses applications grand public, la puce BLE fonctionne en conjonction avec une puce Bluetooth, mais grâce aux améliorations introduites dans les versions 4.1, 4.2 et 5, les puces BLE sont de plus en plus utilisées en tant que dispositifs autonomes.

La récente introduction de la spécification Bluetooth 5 a amélioré le débit de données brutes de la technologie BLE de 1 à 2 Mbps, avec une portée 4 fois supérieure à la version précédente. Notez qu'il est impossible d'atteindre simultanément le débit maximal et la portée maximale, il s'agit d'un compromis classique. Le Bluetooth SIG vient également d'adopter le Bluetooth Mesh 1.0, qui permet la configuration de la technologie dans une topologie de réseau maillé, un thème discuté plus en détail dans la 3e partie de cette série.

Pour un aperçu détaillé du Bluetooth LE, consultez l'article « Les outils et systèmes sur puce Bluetooth Low-Energy, compatibles avec Bluetooth 4.1, 4.2 et 5, répondent aux défis de l'IoT (1re partie) ».

Qu'est-ce que l'ANT ?

L'ANT est comparable au BLE, dans la mesure où il s'agit d'un protocole sans fil ultrabasse consommation fonctionnant dans la bande ISM de 2,4 GHz. Comme le BLE, il est conçu pour les capteurs à alimentation par pile bouton affichant une durée de vie de plusieurs mois ou plusieurs années. Le protocole a été publié en 2004 par Dynastream Innovations, une société canadienne appartenant désormais à Garmin. Dynastream Innovations ne fabrique pas de puces, mais à l'inverse les concepteurs peuvent intégrer leurs micrologiciels sur les émetteurs-récepteurs de 2,4 GHz de sociétés telles que Nordic Semiconductor, avec le système sur puce nRF51422, et Texas Instruments (TI). Il offre, cependant, une gamme de modules RF entièrement testés et vérifiés exécutant le protocole ANT qui nécessite peu d'effort d'intégration de conception et bénéficie d'une certification réglementaire.

Même si l'ANT est un protocole RF propriétaire, l'interopérabilité est possible via le réseau géré ANT+. ANT+ simplifie l'interopérabilité entre les dispositifs des membres de l'organisation ANT+ Alliance, ainsi que la collecte, le transfert automatique et le suivi des données de capteurs. L'interopérabilité est garantie par les profils de dispositif ; tout dispositif ANT+ qui met en œuvre un profil de dispositif spécifique est interopérable avec un autre dispositif ANT+ mettant en œuvre le même profil de dispositif. Les nouveaux produits doivent passer un test de certification ANT+ pour l'interopérabilité. La certification est gérée par l'organisation ANT+ Alliance.

ANT et ANT+ étaient à l'origine ciblés pour le segment des sports et du fitness, mais dernièrement, le produit a été utilisé pour les applications dans les secteurs de la domotique et de l'automatisation industrielle. Le protocole est soumis à un développement continu, le dernier en date étant la sortie d'ANT BLAZE, une technologie maillée ciblant les entreprises pour les applications IoT avec un nombre de nœuds élevé. (Voir 3e partie.)

Qu'en est-il de ZigBee ?

ZigBee est une spécification sans fil basse consommation utilisant une couche PHY et une sous-couche MAC (Media Access Control) basées sur la norme IEEE 802.15.4. Elle exécute en plus un protocole contrôlé par l'organisation ZigBee Alliance. La technologie est conçue pour le réseau maillé (ce qui lui donne une longueur d'avance sur les technologies concurrentes) dans les secteurs de la domotique et de l'automatisation industrielle.

ZigBee fonctionne dans la bande ISM de 2,4 GHz, ainsi que dans les bandes de 784 MHz en Chine, 868 MHz en Europe et 915 MHz aux États-Unis et en Australie. Les débits de données varient entre 20 kbps (bande 868 MHz) et 250 kbps (bande 2,4 GHz). ZigBee utilise 16 canaux de 2 MHz séparés par 5 MHz, utilisant ainsi le spectre de façon inefficace en raison de l'attribution non utilisée.

La technologie ZigBee PRO, lancée en 2007, fournit les fonctions supplémentaires nécessaires pour des déploiements solides, notamment une sécurité renforcée. L'organisation ZigBee Alliance vient d'annoncer la disponibilité du ZigBee PRO 2017, un réseau maillé capable de fonctionner simultanément dans les bandes de fréquence ISM de 800 à 900 MHz et 2,4 GHz. (Voir la 3e partie de cette série pour en savoir plus.)

La spécification RF4CE répond-elle à tous les critères ?

La spécification RF4CE (radiofréquence pour l'électronique grand public) est basée sur ZigBee, mais avec un protocole personnalisé pour les exigences d'une télécommande RF. La RF4CE a été normalisée en 2009 par quatre sociétés de l'électronique grand public : Sony, Philips, Panasonic et Samsung. La technologie est prise en charge par plusieurs fournisseurs de puces, notamment Microchip, Silicon Labs et Texas Instruments. La RF4CE est conçue pour être utilisée en tant que système de télécommande de dispositif, par exemple les décodeurs télé. La technologie utilise la RF pour surmonter les inconvénients liés à l'interopérabilité, à la visibilité directe et à la fonction limitée d'une télécommande infrarouge.

Récemment, la RF4CE a constaté une forte concurrence du BLE et de ZigBee pour les applications de télécommande.

Le Wi-Fi est-il à la hauteur ?

Le Wi-Fi, basé sur la norme IEEE 802.11, est une technologie sans fil très efficace ; cependant, il est optimisé pour les transferts de données volumineux à haut débit, et non pour une faible consommation énergétique. Par conséquent, le Wi-Fi n'est pas adapté pour une opération basse consommation (pile bouton). Ces dernières années, des améliorations ont été réalisées pour optimiser la consommation énergétique, notamment les amendements tels que la norme IEEE 802.11v (spécifiant la configuration des dispositifs clients pour une connexion à des réseaux sans fil).

La norme IEEE 802.11ah (Wi-Fi HaLow), publiée en 2017, fonctionne dans la bande ISM de 90 MHz et bénéficie d'une plus faible consommation énergétique et d'une portée supérieure, comparée aux versions Wi-Fi fonctionnant dans les bandes 2,4 et 5 GHz. (Voir 3e partie.)

La technologie NIKE+ est-elle une option ?

Nike+ est une technologie sans fil propriétaire développée par le fabricant d'articles de sport, Nike, ciblant le marché du fitness. La technologie est principalement conçue pour connecter un « podomètre » Nike intégrant une puce radio de 2,4 GHz avec des dispositifs mobiles Apple qui analysent et présentent les données collectées. Bien qu'étant encore populaire au sein de la communauté des adeptes de fitness, le matériel connaît un déclin, car la nouvelle génération de smartphones intègre la même technologie. Nike a délaissé son produit de fitness sans fil pour s'orienter à la place vers les applications logicielles de smartphone.

La technologie sans fil propriétaire sur laquelle était basé le système Nike+ est toujours utilisée pour les produits comme les souris et claviers sans fil. Si l'interopérabilité n'est pas une exigence, une technologie similaire telle que le nRF24LE1 de Nordic Semiconductor fournit des performances comparables aux technologies telles que le BLE, sans l'exigence de conformité aux normes.

Le protocole IrDA ne résout-il pas déjà tous les problèmes de communications à courte portée ?

L'association IrDA (Infrared Data Association) est constituée d'environ 50 sociétés et a publié plusieurs protocoles de communication infrarouge sous le nom IrDA. Le protocole IrDA n'est pas une technologie RF, il utilise plutôt les impulsions modulées d'un rayon infrarouge pour transférer des informations. Les principaux avantages qu'offre la technologie sont une sécurité intégrée (comme elle n'est pas basée sur RF), un très faible taux d'erreur sur les bits (TEB) (efficacité supérieure), aucune exigence de certification de conformité réglementaire et un faible coût. La technologie est également disponible dans une version haute vitesse, offrant des taux de transfert de 1 Gbps.

Les inconvénients de la technologie infrarouge sont sa portée limitée (surtout pour la version haute vitesse), l'exigence relative à sa visibilité directe et l'absence de communications bidirectionnelles dans les mises en œuvre standard. En outre, l'IrDA n'est pas particulièrement écoénergétique (en termes de puissance par bit) par rapport aux technologies radio. Pour les applications de télécommande basiques pour lesquelles le coût est un paramètre de conception clé, l'IrDA détient une part de marché, mais lorsque des fonctions de commande améliorées sont requises, par exemple pour les téléviseurs intelligents, les technologies BLE et RF4CE sont plus souvent spécifiées par les concepteurs.

Où se situe le NFC ?

La technologie NFC (Near Field Communication ou communication en champ proche) fonctionne dans la bande ISM de 13,56 MHz. À cette basse fréquence, les antennes cadres d'émission et de réception fonctionnent surtout respectivement comme les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur. Le transfert de donnée s'effectue via un champ magnétique et non via le champ électrique correspondant, car ce dernier est moins dominant à courtes distances. Le taux de transfert de données NFC atteint 424 kbps. Comme son nom l'indique, la technologie est conçue pour une communication de très courte portée, soit une portée de fonctionnement maximale de 10 cm. Cette limite empêche une concurrence directe avec les technologies BLE, ZigBee, Wi-Fi et d'autres technologies équivalentes. Les fabricants tels que NXP USA fournissent des puces comme l'émetteur-récepteur NFC CLRC66303.

Son principal avantage repose sur le fait que les dispositifs passifs NFC (par exemple, les cartes de crédit) ne nécessitent aucune alimentation et ne s'activent qu'en étant à courte portée d'un dispositif NFC alimenté. L'utilisation NFC est largement répandue dans les technologies de paiement sans contact, ainsi que comme méthode d'appairage d'autres technologies sans fil, comme les dispositifs BLE, sans risque d'attaques de l'intercepteur sur la sécurité. La technologie NFC peut probablement obtenir une excellente part de marché en tant que technologie destinée aux applications de niche complétant les autres technologies sans fil abordées ici.

Topologies de réseau

Les technologies sans fil basse consommation prennent en charge jusqu'à cinq topologies de réseau principales :

Radiodiffusion : un message est envoyé d'un émetteur à un récepteur dans sa portée. Le canal est unidirectionnel et n'émet aucun accusé de réception du message.

Poste-à-poste : deux émetteurs-récepteurs sont liés sur un canal bidirectionnel dans lequel les messages peuvent avoir un accusé de réception et les données peuvent être transférées dans les deux sens.

Étoile : un émetteur-récepteur central communique via des canaux bidirectionnels avec plusieurs émetteurs-récepteurs périphériques. Les émetteurs-récepteurs périphériques ne peuvent pas directement communiquer entre eux.

Balayage : un dispositif de balayage central reste en mode de réception pour détecter un signal émis par un dispositif de transmission dans sa portée. La communication est unidirectionnelle.

Maille : un message peut être relayé d'un point du réseau à un autre par saut de canaux bidirectionnels reliant plusieurs nœuds (généralement à l'aide des services de nœuds avec des fonctionnalités supplémentaires telles que des concentrateurs et des relais).

Les Figures 2a, b, c, d et e illustrent les topologies de réseau et le Tableau 1 résume le type de topologie pris en charge par chacune des technologies sans fil abordées ci-dessus.

Figure 2 : Les technologies sans fil basse consommation ont évolué pour prendre en charge des topologies de réseau de plus en plus complexes. (Source de l'image : Texas Instruments)

B (Bluetooth Low-Energy), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE),
Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)

1. Le mode de réception continue doit être activé pour permettre aux nœuds d'écouter les signaux de radiodiffusion.
2. Tout le trafic réseau s'arrête et la consommation énergétique est élevée.

Tableau 1 : Prise en charge des topologies de réseau par les technologies sans fil basse consommation. (Source du tableau : DigiKey)

Performances d'une technologie sans fil basse consommation

Portée

La portée d'une technologie sans fil est souvent assimilée comme étant proportionnelle à la sortie de puissance d'un émetteur combinée à la sensibilité RF d'un récepteur, mesurée en décibels (le bilan de liaison). Une transmission plus haute puissance et une sensibilité supérieure augmentent la portée, en raison de l'amélioration effective du rapport signal/bruit (SNR). Le rapport signal/bruit est une mesure de la capacité d'un récepteur à extraire et à décoder correctement un signal du bruit ambiant. À un rapport signal/bruit seuil, le taux d'erreur sur les bits dépasse la spécification de la radio et la communication échoue. Un récepteur BLE, par exemple, est conçu pour tolérer un taux d'erreur sur les bits maximum de seulement 0,1 %.

La sortie de puissance maximale dans la bande ISM sans licence de 2,4 GHz est limitée par les organismes de réglementation. En général, les règles sont complexes, mais elles stipulent principalement que la puissance de transmission de crête, mesurée à l'entrée d'une antenne d'un système de sauts de fréquence avec une limite maximale et minimale de 75 et 15 sauts de fréquence, doit être limitée à une crête de +21 dBm, avec une réduction de la sortie si le gain d'une antenne isotrope est supérieur à 6 dBi. Cela permet d'avoir une puissance isotrope rayonnée équivalente (PIRE) maximale de +27 dBm.

Outre cette réglementation, les technologies sans fil basse consommation comprennent des restrictions de spécification sur la puissance de transmission pour optimiser la durée de vie de la batterie. La majorité de la puissance est économisée en limitant la durée d'activation de l'état de transmission ou de réception haute puissance de la radio. Mais les fabricants de puces RF économisent également de l'énergie en limitant leur puissance de transmission BLE maximale à une valeur typique de +4 dBm, et occasionnellement +8 dBm, soit en dessous de la limite de +21 dBm définie par les réglementations.

Cependant, la puissance de transmission et la sensibilité ne sont pas les seuls facteurs limitant la portée des dispositifs sans fil. L'environnement de fonctionnement (par exemple, la présence de plafonds et de murs), la fréquence de la porteuse RF, la structure de la conception, les composants mécaniques et les schémas de codage sont également à considérer. La portée est généralement établie pour un environnement « idéal », mais les dispositifs sont souvent utilisés dans des scénarios compromettant fortement ce critère. Par exemple, les signaux 2,4 GHz sont fortement atténués par le corps humain, c'est pourquoi un dispositif corporel porté au poignet peut avoir des difficultés pour émettre vers un smartphone placé dans une poche arrière, même s'ils ne sont qu'à un mètre de distance.

Cette liste affiche les portées typiques prévues pour les technologies ultrabasse consommation dans un environnement ouvert, sans interférences d'autres sources RF ou optiques :

• NFC : 10 cm
• IrDA haute vitesse : 10 cm
• Nike+ : 10 m
• ANT(+) : 30 m
• Wi-Fi 5 GHz : 50 m
• ZigBee/RF4CE : 100 m
• Bluetooth Low-Energy : 100 m
• Wi-Fi 2,4 GHz : 150 m
• BLE avec Bluetooth 5 à capacité de portée étendue : 200 à 400 m (en fonction du schéma de codage de correction d'erreur directe)

Débit

Les transmissions via les technologies sans fil basse consommation comprennent deux parties : les bits de mise en œuvre du protocole (par exemple, ID et longueur de paquet, canal et somme de contrôle, communément appelés « surcharge ») et les informations communiquées (appelées la « charge utile »). Le rapport charge utile/surcharge + charge utile détermine l'efficacité du protocole (Figure 3).

Figure 3 : Les paquets des technologies sans fil basse consommation (BLE/Bluetooth 4.1 dans ces illustrations) comprennent une surcharge et une charge utile. L'efficacité du protocole est déterminée par le volume de données utiles (charge utile) transportées dans chaque paquet. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

Le débit de données « brutes » (surcharge plus charge utile) est une mesure du nombre de bits transférés par seconde et désigne souvent le chiffre indiqué dans les documents marketing. Le débit de données de charge utile sera toujours inférieur. (La 2e partie de cette série abordera plus en détail l'efficacité de chaque protocole et son impact subséquent sur la durée de vie de la batterie.)

Les technologies sans fil basse consommation nécessitent en général un transfert périodique de petits volumes d'informations du capteur entre les nœuds du capteur et le dispositif central, tout en réduisant la consommation énergétique, par conséquent, les bandes passantes sont typiquement faibles.

La liste suivante compare le débit de données brutes et de charge utile pour les technologies abordées dans cet article. (Notez qu'il s'agit de maximums théoriques et que le débit effectif dépend de la configuration et des conditions de fonctionnement) :

• Nike+ : 2 Mbps, 272 bps (le débit est limité de par la conception à un paquet/s)
• ANT+ : 20 kbps (en mode rafale – voir ci-dessous), 10 kbps
• NFC : 424 kbps, 106 kbps
• ZigBee – 250 kbps (à 2,4 GHz), 200 kbps
• RF4CE (identique à ZigBee)
• Bluetooth Low-Energy – 1 Mbps, 305 kbps
• IrDA haute vitesse – Données brutes 1 Gbps, charge utile 500 kbps
• BLE avec Bluetooth 5 haut débit : 2 Mbps, 1,4 Mbps
• Wi-Fi : 11 Mbps (puissance minimale en mode 802.11b), 6 Mbps

Latence

La latence d'un système sans fil peut être définie comme le délai entre la transmission et la réception d'un signal. Bien qu'étant typiquement de l'ordre des millisecondes, il s'agit d'un critère important pour les applications sans fil. Par exemple, une faible latence n'est pas particulièrement importante pour une application interrogeant automatiquement un capteur toutes les secondes pour obtenir ses données, par exemple, mais la latence peut être importante pour une application grand public, comme une télécommande, où l'utilisateur s'attend à un délai imperceptible entre la pression du bouton et l'action subséquente.

La liste suivante compare les latences des technologies abordées dans cet article. (Notez qu'une fois de plus, ces valeurs dépendent de la configuration et des conditions de fonctionnement.)

• ANT : négligeable
• Wi-Fi : 1,5 milliseconde (ms)
• Bluetooth Low-Energy : 2,5 ms
• ZigBee : 20 ms
• IrDA : 25 ms
• NFC : interrogé normalement toutes les secondes (mais peut être spécifié par le fabricant du produit)
• Nike+ : 1 seconde

Notez que les valeurs de faible latence pour les technologies ANT et Wi-Fi nécessitent que le dispositif de réception soit constamment en mode d'écoute, ce qui consomme rapidement l'énergie de la batterie. Pour les applications de capteur basse consommation, la consommation batterie peut être optimisée en augmentant la période de messagerie ANT, au prix d'une latence supérieure.

Robustesse et coexistence

Un transfert de paquets fiable a une influence directe sur la durée de vie de la batterie et l'expérience utilisateur. En général, s'il est impossible de transmettre un paquet de données en raison de conditions non optimales de l'environnement de transmission, d'interférences accidentelles de radios à proximité ou d'un brouillage de fréquence délibéré, l'émetteur exécutera des tentatives d'envoi jusqu'à la réussite de la diffusion du paquet. Cela se fait au détriment de la durée de vie de la batterie. De plus, si un système sans fil est restreint à un seul canal de transmission, sa fiabilité se détériorera inévitablement dans les environnements surchargés.

La capacité d'une radio à fonctionner en présence d'autres radios est décrite comme la coexistence. Ce critère est particulièrement intéressant lorsque les radios fonctionnent dans le même dispositif, à l'exemple du BLE et du Wi-Fi dans un smartphone, avec une séparation minimale. Une approche standard pour établir une coexistence entre le Bluetooth et le Wi-Fi est d'utiliser un schéma de signalisation hors bande comportant une connexion filaire entre chaque circuit intégré pour coordonner l'autorisation de transmission et de réception de chacun. Dans cet article, une coexistence passive fait référence à un système anti-interférences et une coexistence active fait référence à une signalisation puce-à-puce.

Le saut de canal est une méthode éprouvée pour simplifier une coexistence passive. Le BLE utilise un étalement du spectre par saut de fréquence (FHSS), exécutant des sauts selon un modèle pseudo-aléatoire entre ses 37 canaux de données afin d'éviter les interférences. La fonction de saut de fréquence adaptatif (AFH) du BLE permet à chaque nœud de mapper les canaux fréquemment surchargés, qui sont par la suite évités dans les futures transactions. La dernière version de la spécification (Bluetooth 5) a introduit un meilleur algorithme de séquencement de canaux (CSA nº2) afin d'améliorer le caractère pseudo-aléatoire du séquencement de canal de saut suivant pour améliorer l'immunité aux interférences.

L'ANT prend en charge l'utilisation de plusieurs fréquences de fonctionnement RF, avec une largeur respective de 1 MHz. Après sélection, toutes les communications s'effectuent sur une seule fréquence et le saut de fréquence ne se produit qu'en cas de dégradation significative de la fréquence sélectionnée.

Pour limiter la congestion, l'ANT utilise un schéma isochrone adaptatif d'accès multiple par répartition temporelle (AMRT) pour répartir chaque bande de fréquences de 1 MHz dans des intervalles de temps d'environ 7 ms. Les dispositifs appairés sur le canal communiquent pendant ces intervalles de temps, qui se répètent en fonction de la période de messagerie de l'ANT (par exemple, chaque 250 ms ou 4 Hz). Dans la pratique, il est possible d'accommoder des dizaines voire des centaines de nœuds dans une seule bande de fréquences de 1 MHz sans conflit. Lorsque l'intégrité des données est cruciale, l'ANT peut utiliser une technique de messagerie « en rafale » ; il s'agit d'une technique de transmission de plusieurs messages qui utilise toute la bande passante disponible et qui s'exécute jusqu'à la transmission complète des données.

Certains des canaux RF ANT disponibles sont attribués et régulés par l'ANT+ Alliance afin de maintenir l'intégrité et l'interopérabilité du réseau, à l'exemple des bandes 2,450 et 2,457 GHz. L'alliance recommande d'éviter ces canaux pendant un fonctionnement normal.

Contrairement à la technique FHSS du BLE et au schéma AMRT d'ANT, ZigBee - et RF4CE- utilisent une méthode d'étalement du spectre à séquence directe (DSSS). Durant le DSSS, le signal est mélangé à un code pseudo-aléatoire au niveau de l'émetteur, puis extrait au niveau du récepteur. Cette technique améliore considérablement le rapport signal/bruit en étalant le signal transmis sur une large bande (Figure 4). ZigBee PRO met en œuvre une technique supplémentaire appelée agilité de fréquence, dans laquelle un nœud de réseau effectue un balayage pour un spectre libre et en informe le coordinateur pour permettre l'utilisation du canal dans tout le réseau. Cependant, cette fonction est rarement déployée en pratique.

Figure 4 : ZigBee tente de limiter les interférences d'autres radios de 2,4 GHz en étalant le signal transmis sur le spectre attribué. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le Wi-Fi utilise 11 canaux de 20 MHz aux États-Unis, 13 dans la majorité du reste du monde et 14 au Japon. Par conséquent, dans les limites de la largeur de bande de 83 MHz d'une attribution de spectre de 2,45 GHz, il n'est possible d'avoir que trois canaux Wi-Fi sans chevauchement (1, 6 et 11). Ils sont donc utilisés comme canaux par défaut. Aucun saut de canal automatique n'est intégré, mais les utilisateurs peuvent passer manuellement à un autre canal en cas de problème d'interférences pendant le fonctionnement.

Dans le canal sélectionné, le mécanisme anti-interférences du Wi-Fi est complexe, mais il combine principalement la technique DSSS avec le multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM). L'OFDM est une forme de transmission utilisant plusieurs porteuses rapprochées avec une modulation de faible débit. Comme les signaux sont à transmission orthogonale, la possibilité d'interférences mutuelles à faible distance est grandement atténuée.

Le Wi-Fi 5 GHz fonctionne sur une attribution de 725 MHz de large, permettant ainsi l'affectation de nombreux autres canaux sans chevauchement. Cela se traduit par un risque considérablement réduit de problèmes d'interférences, par rapport au Wi-Fi 2,4 GHz.

Le Wi-Fi utilise également une technologie de coexistence active et un mécanisme visant à réduire les débits de données en cas de détection d'interférences d'autres radios.

Ceci explique l'omniprésence du Wi-Fi. D'autres technologies 2,4 GHz incluent des techniques anti-conflit avec les canaux Wi-Fi par défaut (1, 6 et 11). Les trois canaux d'annonce du BLE, par exemple, sont positionnés dans les intervalles entre les canaux Wi-Fi par défaut (Figure 5).

Figure 5 : Les canaux d'annonce du BLE sont positionnés à l'écart des canaux Wi-Fi par défaut. Notez qu'il existe 7 canaux supplémentaires à l'écart d'interférences Wi-Fi potentielles. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Nike+ utilise un schéma agile de fréquence propriétaire, en interchangeant les canaux en cas d'interférences perturbatrices. Cette méthode est rarement nécessaire en raison du débit de transfert de données minimum et du rapport cyclique de la technologie.

L'IrDA n'implémente aucune forme de technologie de coexistence. Cependant, en tant que technologie basée sur la lumière, il est peu probable qu'elle soit affectée par un éclairage d'arrière-plan très lumineux avec un composant infrarouge significatif. Son fonctionnement à courte portée et à visibilité directe élimine toute probabilité d'interférences entre des dispositifs infrarouges fonctionnant simultanément.

La NFC met en œuvre une forme de coexistence dans laquelle le lecteur sélectionne l'étiquette NFC d'une carte spécifique dans un portefeuille contenant plusieurs cartes NFC. Comme la transmission est à courte portée, les interférences entre les autres dispositifs NFC et/ou les autres radios sont rares. Cependant, il convient de noter que la bande de 13,56 MHz a des harmoniques dans la bande de modulation de fréquence (FM) qui sont particulièrement élevées, à 81,3 et 94,9 MHz. Ces harmoniques peuvent potentiellement entraîner des bruits de clic dans un récepteur FM colocalisé. Les effets des interférences FM peuvent être réduits en implémentant des techniques anticollision, par exemple par « inclinaison » ou nettoyage.

Conclusion

Il existe de nombreuses technologies sans fil basse consommation populaires. Même si chacune d'elles est conçue pour un fonctionnement sur batterie et un transfert de données relativement modeste, elles présentent différentes capacités de portée, de débit, de robustesse et de coexistence. Ces variations de performances sont adaptées à différentes applications, avec toutefois un degré important de chevauchement.

Introduction aux 2e et 3e parties : les performances ne constituent qu'une partie du processus de sélection. Ainsi, la 2e partie abordera plus en détail les principes de base de conception de chaque technologie, tels que la disponibilité de la puce, les piles de protocoles, les logiciels d'application, les outils de conception, les exigences en matière d'antenne et la consommation énergétique.

La 3e partie traitera des développements actuels et futurs visant à répondre aux défis de l'IoT pour chaque technologie, avec une présentation de quelques nouvelles interfaces et nouveaux protocoles, comme Wi-Fi HaLow et Thread.