Petit guide des points importants concernant les technologies sans fil à courte portée

Si vous avez décidé que la connectivité sans fil est la meilleure méthode pour relier votre produit au reste du monde, vous avez pris la bonne décision. Le côté pratique, mobile et flexible que cela apporte rendra votre produit beaucoup plus attractif pour votre marché cible. Mais après avoir pris le temps de vous jeter des fleurs pour cette bonne décision, il faut passer à la tâche ardue de la conception.

Vous devez avant tout déterminer quelle forme de connectivité sans fil convient le mieux à votre produit. Supposons que vous vouliez connecter votre dispositif à un autre produit sans fil et/ou à Internet, et l'intégrer à l'Internet des objets (IoT). Nous partons également du principe que vous avez décidé d'opter pour une technologie standard (plutôt que pour l'une des nombreuses solutions propriétaires à courte portée) pour profiter de l'interopérabilité avec les produits d'autres fabricants. Enfin, supposons que vous souhaitiez connecter votre produit sans fil sur une portée de moins de 100 mètres (m).

Cela réduit beaucoup le champ des possibles. Mais même avec ces contraintes, choisir une technologie sans fil à courte portée peut être déroutant. Trouver une solution revient à définir méthodiquement les utilisations qui seront faites de la liaison sans fil.

Toutes les technologies sans fil à courte portée impliquent des compromis en matière de portée, de débit, de consommation et d'immunité aux interférences. En général, une plus grande portée et/ou un meilleur débit sont obtenus au prix d'une consommation plus élevée. Une bonne immunité aux interférences (exigence importante pour les technologies radio qui opèrent dans des zones chargées du spectre radiofréquence [RF]) peut également contribuer à réduire la consommation en évitant d'avoir à renvoyer constamment des paquets de données radio qui n'arrivent pas jusqu'au récepteur. La mise en réseau maillé et l'interopérabilité du protocole Internet (IP) constituent d'autres facteurs importants à prendre en compte.

Principales technologies sans fil à courte portée

Les protocoles Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee et Thread (conforme à la norme IEEE 802.15.4 comme Zigbee) constituent les technologies sans fil à courte portée grand public. Mais cette liste de solutions sans fil à courte portée est loin d'être exhaustive. D'autres technologies, comme l'ultralarge bande (UWB), la communication en champ proche (NFC), et les protocoles Wireless M-Bus, Z-Wave et Wi-SUN valent la peine d'être étudiés pour de nombreuses applications de niche. Toutefois, pour l'instant, nous allons nous intéresser aux options plus classiques.

Si le débit et l'interopérabilité de l'IP arrivent en tête de la liste des spécifications, alors le Wi-Fi représente la meilleure option. La solution la plus populaire actuellement est le Wi-Fi 5 (anciennement IEEE 802.11ac), qui offre un débit théorique maximal de 3,5 gigabits par seconde (Gbps) et une portée en intérieur maximum de 100 m. Cette technologie est basée sur plusieurs canaux, ce qui permet d'augmenter le débit et de contourner les problèmes d'évanouissement dus à la propagation par trajets multiples (interférences dues au fait que le récepteur voie plusieurs réflexions d'un même signal transmis). La pile Wi-Fi intègre également le protocole IPv6, et il n'y a donc pas besoin de routeur ou de passerelle supplémentaire pour envoyer des données au cloud.

Figure 1 : Le Wi-Fi intègre le protocole IPv6 pour se connecter en toute fluidité à Internet. (Source de l'image : Netgear)

Le potentiel de débit du Wi-Fi exige l'accès à une grande puissance d'émetteur-récepteur. Ce n'est donc pas le bon choix de technologie si le budget énergétique est limité. Par ailleurs, le Wi-Fi n'est pas optimisé pour prendre en charge des dizaines de dispositifs mis en réseau. Cela dit, le Wi-Fi 6 (anciennement IEEE 802.11ax), qui a récemment été adopté et pour lequel il existe désormais des puces disponibles, remédie dans une certaine mesure à ces inconvénients en améliorant le rendement spectral de la technologie.

Si la basse consommation est le paramètre de conception le plus important, alors les protocoles Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE), Zigbee et Thread méritent d'être examinés de plus près. Ces technologies partagent de nombreuses similitudes en raison de leur ADN commun issu de la spécification IEEE 802.15.4 mentionnée ci-dessus. La spécification IEEE 802.15.4 décrit la couche physique (PHY) et la couche de contrôle d'accès au support (MAC) pour les réseaux personnels sans fil à faible débit (LR-WPAN). Ces technologies fonctionnent généralement à 2,4 GHz, même s'il existe des variantes sub-GHz de Zigbee.

Le protocole Bluetooth LE est une version basse consommation du Bluetooth « classique », la technologie sans fil grand public qui a d'abord trouver une utilisation pour relier les smartphones à des écouteurs sans fil. Le Bluetooth LE a rejoint le protocole Bluetooth avec le lancement de la version 4.0. Il consomme environ un dixième de la consommation du Bluetooth en offrant toujours un débit de données brutes maximum de 2 Mb/s et une portée de 50 m.

Cette technologie convient aux applications IoT comme les capteurs de maison intelligente, où les transmissions de données sont modestes et peu fréquentes. Elle offre 40 canaux et un algorithme de sélection de canal (CSA) sophistiqué afin de réduire les interférences. L'interopérabilité du Bluetooth LE avec les puces Bluetooth contenues dans la plupart des smartphones constitue également un gros avantage pour les applications grand public comme les dispositifs corporels (Figure 2). Les principaux inconvénients de cette technologie sont la nécessité d'avoir une passerelle onéreuse et énergivore pour assurer la connexion au cloud, ainsi que les capacités poussives de mise en réseau maillé qui entraînent une latence accrue par rapport aux alternatives.

Figure 2 : Le protocole Bluetooth LE est interopérable avec les smartphones, ce qui en fait un choix idéal pour les dispositifs corporels. (Source de l'image : Nordic Semiconductor/DO Technologies)

Zigbee est également un bon choix pour les applications basse consommation et à faible débit dans l'automatisation industrielle, et les usages commerciaux et domestiques. Son débit est inférieur à celui du Bluetooth LE, à 250 kilobits par seconde (Kb/s), tandis que sa portée et sa consommation sont similaires. Le protocole Zigbee n'est pas interopérable avec les smartphones et n'offre pas de capacité IP native. Il fonctionne sur 16 canaux, et comme le Bluetooth LE, il utilise un algorithme de sélection de canal pour éviter les interférences. Avantage clé du protocole Zigbee : il est conçu de A à Z pour la mise en réseau maillé, ce qui en fait une bonne option pour les applications comme l'éclairage intelligent et d'autres applications qui nécessitent une faible latence.

Le protocole Thread est relativement nouveau dans le secteur des technologies sans fil à courte portée : son lancement date de 2014. Comme Zigbee, il fonctionne à l'aide des couches PHY et MAC IEEE 802.15.4, et a été conçu pour prendre en charge de vastes réseaux maillés comportant jusqu'à 250 dispositifs. Il présente un débit similaire à celui de Zigbee (250 Kb/s), une consommation similaire et une portée maximum d'environ 30 m. Thread diffère de Zigbee par son utilisation de 6LoWPAN (une combinaison IPv6 et WPAN basse consommation), simplifiant la connectivité avec d'autres dispositifs et avec le cloud, malgré la nécessité d'un périphérique réseau appelé « routeur inter-zone » (border router).

Une coopération plutôt qu'une compétition

Il y a eu une prise de conscience dans le secteur des technologies sans fil à courte portée : aucune technologie en particulier ne peut dominer les autres, car chacune d'entre elles nécessite de faire des compromis inévitables afin de répondre aux applications cibles. Cette prise de conscience a abouti à un degré inhabituellement élevé de coopération entre les groupes de l'industrie afin de garantir l'interopérabilité entre de nombreuses piles de protocoles sans fil à courte portée.

Matter, une initiative menée par la Connectivity Standards Alliance (CSA, anciennement la Zigbee Alliance), qui compte Apple, Amazon et Google parmi ses 180 entreprises membres, illustre cet esprit de collaboration. Matter met l'accent sur la sécurité et l'interopérabilité. Ce protocole présente une couche réseau qui combine les protocoles Zigbee, Bluetooth et Wi-Fi, de manière à ce que les dispositifs puissent fonctionner ensemble, quelles que soient leur marque ou leurs fonctions. Les produits commerciaux certifiés Matter devaient arriver avant la fin de l'année 2021. Leur lancement marquera un tournant dans la technologie sans fil à courte portée.

Autre option pour les concepteurs qui souhaitent conserver un maximum de flexibilité quant au choix du protocole lors de la conception d'une variante de produit : choisir une puce sans fil à courte portée multiprotocole. De nombreux fournisseurs de puces proposent ces solutions à puce unique ou sous forme de module qui prennent en charge les protocoles Wi-Fi, Bluetooth LE, Zigbee, Thread ou des combinaisons de ces protocoles. Les microprocesseurs embarqués dans ces puces gèrent le changement de protocole selon les besoins.

Conclusion

La conception à l'aide de la connectivité sans fil à courte portée rend un produit plus attractif pour l'utilisateur final. Étant donné le large éventail de technologies dont disposent les développeurs, il n'est pas facile de faire le meilleur choix. Toutes les technologies sans fil à courte portée impliquent des compromis en matière de portée, de débit, de consommation et d'immunité aux interférences. Pour faire le meilleur choix possible, il convient d'étudier soigneusement les utilisations qui seront faites du produit fini et l'importance de l'expérience de l'utilisateur final, puis de choisir la technologie sans fil qui offre les avantages correspondants.