À une époque où la connectivité sans fil est devenue aussi essentielle que l'électricité, la capacité de communiquer sans interférence mutuelle d'innombrables appareils n'est rien de moins que la magie de l'ingénierie. La technologie de diffusion du spectre est la technique fondamentale qui rend cette coexistence possible. A l'origine développée pour les communications militaires pour résister au brouillage et à l'écoute, le spectre de diffusion a évolué en l'épine dorsale de normes sans fil modernes comme le Wi-Fi, Bluetooth et de nombreux protocoles IoT. Cet article explore les principes, types et applications du spectre de diffusion dans le monde réel, expliquant comment il permet à plusieurs technologies sans fil de partager harmonieusement le spectre radio.

Qu'est-ce que le spectre de diffusion?

Le spectre de diffusion se réfère à une famille de techniques de modulation où le signal transmis est réparti sur une bande de fréquences beaucoup plus large que la bande de bande minimale nécessaire pour transporter l'information.

  • Résistance à l'interférence:[ En répartissant l'énergie sur une large bande, les interférateurs à bande étroite n'affectent qu'une petite partie du signal, qui peut être récupérée par le processus de démultiplication.
  • Accès multiple : Plusieurs utilisateurs peuvent partager le même spectre simultanément en utilisant différents codes de diffusion (accès multiple par division de code).
  • Sécurité et faible probabilité d'interception:[ Le signal apparaît comme du bruit pour les récepteurs ne connaissant pas le code de diffusion.

La base théorique du spectre de diffusion réside dans le théorème Shannon-Hartley, qui indique que la capacité du canal augmente avec la bande passante. La diffusion du signal permet de fonctionner à un rapport signal-bruit inférieur (SNR) pour le même taux de données. Le gain de traitement (le rapport bande passante de diffusion à bande passante originale) quantifie la capacité de suppression des interférences d'un système de spectre de diffusion.

Bref historique de la diffusion du spectre

Le concept de spectre de diffusion a été lancé pendant la Seconde Guerre mondiale par l'actrice Hedy Lamarr et le compositeur George Antheil. Ils ont breveté un système de happing de fréquence pour guider les torpilles en toute sécurité, en utilisant un rouleau de piano pour synchroniser le houblon de fréquence entre émetteur et récepteur.

Pendant la guerre froide, les militaires américains ont affiné le spectre de diffusion directe (DSSS) pour assurer la sécurité des communications. La technologie est restée classifiée jusqu'aux années 1980, lorsque la Federal Communications Commission (FCC) a permis des opérations de diffusion sans licence dans les bandes ISM (industrielle, scientifique et médicale).

Types de techniques de diffusion du spectre

Il existe deux techniques primaires de diffusion du spectre, ainsi que des approches hybrides et connexes :

Spectre de diffusion de la fréquence de mise en place (SHSS)

Dans le cas du FHSS, la fréquence porteuse de l'émetteur change rapidement selon une séquence pseudo-andomisée connue à la fois pour l'émetteur et le récepteur. Le signal occupe un canal à bande étroite différent à chaque saut, mais il est vu au fil du temps sur toute la bande de saut. Le Bluetooth est l'application de consommation la plus importante du FHSS : il saute parmi 79 canaux dans la bande de 2,4 GHz à un rythme de 1 600 houblons par seconde.

Spectre de diffusion directe des séquences (DSSS)

Le DSSS multiplie le signal de données par un code de bruit pseudo-random (PN) à haut débit, qui répartit la bande passante du signal. Le récepteur corréle le signal entrant avec une copie synchronisée du même code pour le démultiplier au signal à bande étroite d'origine. Le gain de traitement est égal au rapport du taux de puce (taux du code PN) au taux de données. Le DSSS est utilisé dans la norme Wi-Fi originale 802.11b (11 Mbps à 2,4 GHz) et dans les transmissions GPS par satellite.

Multiplexage orthogonal de la division de fréquence (OFDM) et spectre de diffusion

Bien que l'OFMM ne soit pas une technique classique de diffusion du spectre, elle partage l'esprit de diffusion des données entre plusieurs porteurs. L'OFMM divise le spectre disponible en plusieurs sous-porteurs orthogonaux, chacun portant un flux de données à faible taux. Parce que la durée du symbole est longue par rapport aux retards multipathes typiques, l'OFMM est robuste contre les interférences en bande étroite et en décoloration.

Techniques hybrides

Certains systèmes combinent le SFSF et le SSSD, comme la couche physique du SFSF de l'IEEE 802,11 (rarement utilisée aujourd'hui) ou des radios militaires qui accumulent des signaux de séquence directe pour augmenter la faible probabilité d'interception.

Comment le spectre de diffusion permet la coexistence

La coexistence signifie que plusieurs technologies sans fil fonctionnent dans la même bande de fréquences sans causer une dégradation inacceptable des performances les unes pour les autres. Les bandes ISM, en particulier la bande de 2,4 GHz, hébergent une incroyable variété de technologies : Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, Thread, Z-Wave, téléphones sans fil, fours à micro-ondes, et même certains moniteurs pour bébés.

Mécanismes de coexistence

La propagation spectrale réduit la densité de puissance maximale

En répartissant la puissance transmise sur une bande passante plus large, la densité spectrale de puissance (PSD) du signal est plus faible. D'autres récepteurs qui ne sont pas alignés sur le code de diffusion ne voient qu'une légère hausse du plancher sonore, plutôt qu'un pic fort qui pourrait saturer leurs amplificateurs frontaux. Cette propriété “bruit-like” minimise l'interférence avec les récepteurs à bande étroite.

Diversité des fréquences

Si une fréquence particulière est occupée par un autre émetteur (disons un canal Wi-Fi), la trémie ne reste là qu'une fraction d'une milliseconde avant de passer à un canal clair. La perte de paquets ne survient que lorsque le saut coïncide avec un interfère persistant, et les mécanismes de correction d'erreurs peuvent se remettre de collisions occasionnelles. Cela rend le FHSS intrinsèquement résistant aux interférences statiques. Par exemple, les casques Bluetooth peuvent fonctionner dans des maisons remplies de signaux Wi-Fi parce que leur saut rapide évite de longs conflits.

Séparation du code-domaine dans le DSSS/CDMA

Les systèmes DSSS utilisant CDMA permettent à plusieurs émetteurs de fonctionner à la même fréquence en même temps en attribuant différents codes orthogonaux ou quasi orthogonaux. Le récepteur peut extraire le signal prévu en corrélant avec le code correct tout en traitant d'autres signaux comme du bruit. C'est la base des réseaux cellulaires 3G, où de nombreux combinés communiquent simultanément avec une station de base utilisant des codes Walsh. Dans une bande non autorisée, cependant, les réseaux CDMA doivent aussi faire face à d'autres types de dispositifs de spectre de diffusion; le Wi-Fi avec DSSS (802.11b) utilise un code légèrement offset pour coexister avec d'autres, mais les collisions nécessitent toujours des protocoles d'accès multiple (CSMA).

Le rôle des protocoles de contrôle de l'accès moyen (CAM)

Le Wi-Fi utilise un accès multiple avec évitement de collision (CSMA/CA), où un appareil écoute avant de transmettre et utilise des minuteurs de recul pour réduire les collisions. Bluetooth utilise le duplex de division du temps (TDD) avec saut de fréquence, de sorte que chaque paire maître-esclave saute ensemble. Zigbee et Thread utilisent le DSSS avec CSMA/CA ou la dispute par fente. Ces couches MAC profitent de la robustesse d'interférence fournie par spectre de propagation pour fonctionner plus efficacement lorsque plusieurs technologies coexistent.

Coexistence dans la bande de 2,4 GHz : étude de cas pratique

La bande ISM de 2,4 GHz est peut-être la tranche de spectre la plus congestionnée utilisée par les consommateurs. Un foyer typique peut contenir un routeur Wi-Fi, plusieurs appareils Bluetooth (téléphone, haut-parleur, clavier, souris), un centre lumineux intelligent Zigbee, un four à micro-ondes et un téléphone sans fil.

Wi-Fi et coexistence Bluetooth

Le Wi-Fi (802.11b/g/n) utilise généralement le DSSS ou le OFDM avec une largeur de canal de 20 MHz ou de 40 MHz. Le Bluetooth utilise le FHSS sur 79 canaux de 1 MHz à 1 600 houblons. La probabilité qu'un houblon Bluetooth tombe à l'intérieur d'un canal Wi-Fi occupé à un instant donné est d'environ 20/79 ↓ 25% si un canal Wi-Fi de 20 MHz est présent. Lorsqu'une collision survient, les paquets Bluetooth peuvent être perdus, mais le saut de fréquence adaptatif (AFH) introduit dans Bluetooth 1.2 permet aux appareils de marquer les mauvais canaux (ceux occupés par le Wi-Fi) et de les éviter.

Zigbee et la coexistence Wi-Fi

Zigbee (IEEE 802.15.4) opère dans la bande de 2,4 GHz en utilisant le DSSS avec modulation O-QPSK, transmettant sur 16 canaux de 2 MHz chacun espacé de 5 MHz. Son faible taux de données (250 kbps) et son cycle de faible consommation le rendent moins agressif que le Wi-Fi, mais le brouillage du Wi-Fi peut affecter gravement la fiabilité du Zigbee. Les réseaux Zigbee mettent souvent en œuvre l'agilité du canal : le coordonnateur peut détecter le brouillage élevé sur un canal et déplacer l'ensemble du réseau vers un canal plus propre. Zigbee utilise également le CSMA/CA pour éviter les collisions avec d'autres émetteurs. La nature du spectre de diffusion du Zigbee (DSSS avec diffusion de 8 puces) fournit environ 9 dB de gain de traitement, ce qui aide à rejeter les signaux Wi-Fi à bande étroite, mais la différence de niveau de puissance (le Wi-Fi transmet jusqu'à 20 dBm, Zigbee souvent à 0 dBm) signifie que les récepteurs Zigbee peuvent être désensibilisés si un signal Wi-Fi est

Fours à micro-ondes

Les fours à micro-ondes émettent des interférences fortes et non modulées à bande étroite centrées sur 2,45 GHz (la fréquence résonnante des molécules d'eau). L'interférence peut occuper plusieurs mégahertz. Le saut de fréquence Bluetooth évite cela en sautant dans d'autres canaux (sauf ceux qui coïncident avec la fuite du four).

Avantages et limites du spectre de diffusion

Avantages

  • Rejet d'interférence :[ Le gain de traitement confère une immunité aux interférants à bande étroite.
  • Les systèmes de division de code permettent à de nombreux utilisateurs simultanément.
  • Probabilité faible d'interception/détection:[ Les signaux de propagation apparaissent comme du bruit pour les récepteurs non intentionnels.
  • Dégradation progressive:[ À mesure que l'interférence augmente, le débit ou la qualité de la voix du système diminue progressivement plutôt que de tomber brusquement.
  • Bonne performance multipathe:[ Dans le DSSS, les signaux réfléchis qui arrivent avec le retard peuvent être résolus à l'aide de récepteurs de râteau, transformant le multipathe d'un préjudice en une source de diversité.

Limitations

  • Inefficacité de la largeur de bande lorsque les utilisateurs sont peu nombreux: Éparpillement des déchets de ressources spectrales si l'objectif est un taux de pointe élevé pour un seul utilisateur.
  • Problème de loin dans le DSSS/CDMA: Un émetteur fort près du récepteur peut écraser le signal faible d'un émetteur éloigné à moins que la commande de puissance ne soit utilisée.
  • Complexité de synchronisation:[ Les récepteurs doivent acquérir et suivre le code de diffusion, ce qui nécessite des corrélateurs et des algorithmes d'acquisition sophistiqués.
  • Contraintes réglementaires :[ Certaines bandes nécessitent l'utilisation de techniques spécifiques de spectre de diffusion (p. ex., la bande de 2,4 GHz ISM initialement prescrite spectre de diffusion ou saut de fréquence), mais des règles ultérieures ont permis l'OFMM et d'autres modulations.

Tendances futures : répartir le spectre au-delà de la coexistence

Les principes de diffusion du spectre continuent d'évoluer. En 5G et 6G, le MIMO massif et la formation de faisceaux peuvent être considérés comme une forme de propagation spatiale.Les systèmes radio cognitifs utilisent le spectre de diffusion pour agréger les espaces blancs fragmentés du spectre. La technologie UWB-largeband (Ultrawideband) transmet des impulsions extrêmement courtes sur une vaste bande passante (>500 MHz), semblable à un système de séquence directe avec un gain de traitement énorme; elle est utilisée pour un positionnement intérieur de haute précision (p. ex. Apple AirTag) et jouera un rôle dans l'entrée future sans clé automobile.

L'Internet des objets (IoT) suscite l'intérêt pour les réseaux à large bande de faible puissance (LPWAN) tels que LoRa, qui utilise une technique de spectre de propagation de chirp (CSS) pour la communication à longue portée et de faible puissance. CSS module les données comme des chirps ou des chirps ascendants qui diffusent l'énergie au fil du temps et de la fréquence, fournissant un gain de traitement substantiel pour surmonter les interférences et la perte de chemin.

Enfin, le partage du spectre entre les systèmes autorisés et non autorisés (p. ex., 5G dans la bande 6 GHz ou CBRS dans 3,5 GHz) nécessite des techniques de coexistence sophistiquées qui empruntent à la philosophie du spectre de diffusion et #8212;écoute avant de parler, sélection des canaux et contrôle de la puissance adaptative.

Conclusion

En diffusant intentionnellement des signaux sur de larges bandes, les ingénieurs ont créé des systèmes qui peuvent coexister dans le même spectre sans interférence destructrice. De l'oreillette Bluetooth à la fréquence de hublot jusqu'au routeur Wi-Fi qui fournit l'internet à haute vitesse, des ampoules Zigbee aux satellites GPS au-dessus, le spectre de diffusion assure que nos appareils peuvent parler, écouter et partager l'air. À mesure que le spectre devient de plus en plus encombré et que les demandes de connectivité augmentent, les techniques pionnières il y a des décennies continueront de s'adapter, assurant que l'infrastructure invisible de la vie moderne fonctionne de façon fiable pour tous.

Pour plus de détails, voir les règles de FCC sur la diffusion du spectre dans les bandes ISM, la norme IEEE 802.11 et la spécification Bluetooth Core.