L’avenir de l’Ultra Large Bande passera par DAA

La technologie Ultra Large Bande (UWB), acronyme désignant tout signal de communication sans fil [1] dont la bande passante est supérieure à 500 mégahertz où représente 20 % de la fréquence centrale, a tout pour avoir un bel avenir. En tant que solution à faible puissance, elle peut fournir de très hauts débits de données sur des courtes portées. Elle est d’ailleurs déjà utilisée pour des solutions d’USB sans fil (Wireless USB avec le forum USB-IF) ou est étudiée dans de futures évolutions par le Bluetooth SIG (Specific Interest Group). Pourtant, malgré son avance technologique et scientifique indéniable, cette technologie a fait l’objet de nombreux débats en particulier auprès des régulateurs. Et ceci pendant plusieurs années, accumulant ainsi des retards sur les autorisations de mise sur les marchés européens et asiatiques des produits et empêchant un réel décollage industriel. Ces discussions portaient notamment sur les risques d’interférence avec les systèmes de communication conventionnels, avec lesquels des systèmes UWB pourraient partager les bandes de fréquences due à son large spectre d’émission. Pourtant, des systèmes de communication conventionnels comme GSM/UMTS ou le WiMax sont habituellement autorisés sous-licence et leurs fournisseurs ont donc payé pour l’usage du spectre de fréquences. Par conséquent, les technologies même innovatrices comme UWB ne peuvent pas nuire ou dégrader la qualité de ces systèmes de communication autorisés. D’autre part, les bandes de fréquences disponibles étant différentes suivant les pays, les industriels étaient confrontés à la difficulté de trouver une solution globale, acceptée à un niveau mondial, garantissant la masse critique nécessaire au déploiement d’une technologie visant également un usage de masse sur le « tout sans fil, haut débit, courte portée ».

Les apports de DAA et les avancées en terme de régulation

Il semble que la technique appelée DAA pour Detect And Avoid apporte une solution à ces problèmes et permette enfin un déploiement mondial. Un pays comme la Chine vient d’ailleurs d’autoriser l’UWB avec DAA et affiche une grande ambition sur cette technologie en soutenant des programmes de recherche dédiés à l’UWB.Cette technique de limitation de brouillage pour des dispositifs UWB est en effet proposée comme une solution potentielle pour diminuer les risques d’interférence radio. Les régulateurs radio ont proposé l’adoption du DAA dans certains domaines de normalisation et pour des bandes spécifiques de radiofréquences. En Europe, les conditions d’utilisation de la technique de limitation de brouillage d’UWB DAA sont présentées dans le rapport 120 [4] de CCE édité en juin 2008.Au-delà, le DAA est également considéré comme une première avancée vers une approche dynamique pour utiliser le spectre de radiofréquences et pourrait donc avoir des répercussions dans d’autres domaines. Le DAA peut être considéré une forme simple de radio cognitive, où les dispositifs d’UWB sondent la présence de systèmes de communication autorisés (tel que WiMax ou un Radar) et émettent uniquement s’il n’y a pas d’émissions de ces autres systèmes. Principal avantage : un dispositif d’UWB peut ainsi augmenter sa puissance d’émission quand aucun autre système de communication n’est ni dans les mêmes secteurs, ni sur les mêmes bandes de fréquences.

Le DAA est donc une technique innovante qui permet la cohabitation des différents réseaux sans fils. Elle divise la puissance d’émission en zones dans lesquelles on peut transmettre un signal UWB. Pour cela, les dispositifs DAA UWB détectent les changements de la configuration RF (i.e. modification de la zone d’opération) et basculent au nouveau niveau d’émission dans un temps maximal [ETSI EN 302 065].Les constructeurs d’UWB ont d’ailleurs commencé à déployer les premiers prototypes ces derniers mois. Trois zones (Zone 1,2 et 3) ont été définies pour les BWA (Broadband Wireless Access) dans la bande 3.4-4.2 GHz et seulement deux zones (Zone A et B) pour la radiolocalisation dans la bande 3.1-3.4 GHz et 8.5-9 GHz.Pour éviter les risques d’interférences produits par l’UWB vis-à-vis d’autres services, les régulateurs ont défini des limites sur la puissance d’émission des dispositifs d’UWB. Dans la plupart des cas, la limite est décrite comme masque d’émission d’EIRP (Equivalent Isotropically Radiated Power). Les masques d’émissions d’EIRP ont été définis par la FCC en 2002, l’Union européenne en 2006, la Chine en 2008, le Japon et la Corée en 2006. Le schéma suivant décrit le comportement d’un dispositif UWB avec DAA. Quand il détecte la présence d’un signal de BWA (Broadband Wireless Access comme WiMax) dans le spectre de fréquences, le dispositif UWB cesse de transmettre dans la bande BWA et déplace son émission dans bande adjacente (voir les flèches pointillées) ou se maintient simplement dans la même bande BWA mais arrête d’émettre (voir les flèches pleines).

Les défis à venir

Reste un défi significatif à relever : comme les régulateurs radio du monde entier définissent différents bandes de fréquences et masques d’émission pour l’activation du DAA, il faut concevoir des méthodes d’essais flexibles permettant d’évaluer les diverses configurations DAA à travers le monde. Or, le fait que DAA soit une forme de radio cognitive avec des paramètres de transmissions pouvant changer, que les niveaux de puissance soient extrêmement faibles, certains spécialistes parlent d’impossibilité de tester le DAA dans son concept global. Des approches pragmatiques et réalistes devront donc être mises en œuvre tant au niveau de la technique DAA elle-même que pour l’évaluation de conformité, étape incontournable avant de mettre un produit sur le marché. C’est précisément un des sujets étudié dans le cadre du projet de recherche européen WALTER [5], cofinancé dans le cadre du 7ème programme-cadre de la Commission européenne. Son principal objectif est de développer un réseau de services d’essais UWB avec des moyens en Chine (TMC du Ministère MII), en Espagne (AT4Wireless) et en Italie (le Centre Commun de Recherche de la Commission européenne) , le tout étant au service de la recherche, de la régulation et de l’industrie. Plus concrètement, le projet WALTER définit des procédures d’essais et des campagnes de mesures pour valider les techniques de limitation de brouillage UWB ainsi que des mécanismes de coexistence utilisant des protocoles de DAA. L’expérience acquise dans la définition d’un banc d’essai d’UWB DAA pourra aider l’étude d’autres essais de radios cognitives. Les défis liés aux essais DAA seront d’ailleurs abordés dans un second article.

Par Philippe Cousin, ETSI (Institut Européen de Normalisation des Télécommunications), chef du projet de recherche européen WALTER

Notes
[1] Il faut noter des différences sur la définition précise UWB entre ETSI[2] et FCC[3] ainsi que sur les techniques utilisés comme MB-OFDM (Multi-Band Orthogonal Frequency division) ou la version impulsion DS-UWB (Direct Sequence Ultra Wideband)
[2] ETSI EN 302 065 v1.1.1, “Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Ultra WideBand (UWB) technologies for communication purposes; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive”. European Standard Telecommunication Institute (ETSI), February 2008.
[3] FCC CFR Title 47 Part 15 Subpart C, “Intentional Radiators”. Federal Communications Commission, October 2007.[4] ECC Report 120 ( June 2008) on Technical requirements for UWB DAA (Detect And Avoid) devices to ensure the protection of Radiolocation in the bands 3.1 – 3.4 GHz and 8.5 – 9 GHz and BWA terminals in the band 3.4 – 4.2 GHz.[5] FP7 WALTER (Wireless Alliance for Testing, Experiment and Research) project. http://www.walter-uwb.eu/