Introduction: Le défi de l'efficacité énergétique dans les communications sans fil

Les appareils sans fil sont partout : téléphones intelligents, portables, capteurs de maison intelligents, nœuds industriels IoT et implants médicaux. Tous ont une contrainte commune : une capacité limitée de la batterie. Comme le nombre d'appareils connectés s'élève à plus de 20 milliards, la réduction de la consommation d'énergie sans sacrifier les performances est devenue un objectif central de conception. La technologie de diffusion du spectre, développée à l'origine pour les communications militaires antijam et sécurisées, est apparue comme un moteur essentiel de liaisons sans fil efficaces sur le plan énergétique.

Qu'est-ce que le spectre de diffusion?

Le spectre de diffusion est une technique de transmission dans laquelle la bande passante occupée est beaucoup plus large que le minimum requis pour transporter l'information. Le signal est diffusé en utilisant un code pseudo-aléatoire ou un modèle de saut de fréquence, ce qui le rend résistant aux interférences à bande étroite et difficile à intercepter. Il existe deux formes principales : Spectre de diffusion de fréquence de fréquence (FHSS)[ et Spectre de diffusion de séquence directe (DSSS). Une troisième technique courante, La division de fréquence orthogonale multiplexage (OFDM), est parfois classée comme méthode de diffusion de spectre parce qu'elle divise les données entre plusieurs sous-porteurs, bien qu'elle diffère selon les aspects clés.

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

Le FHSS commute rapidement la fréquence porteuse entre de nombreux canaux selon une séquence pseudo-randome connue à la fois pour l'émetteur et le récepteur. Le temps de séjour sur chaque fréquence est court, généralement de dizaines à centaines de millisecondes. Bluetooth est un exemple classique : il saute parmi 79 canaux dans la bande de 2,4 GHz 1600 fois par seconde. Comme le signal est en mouvement constant, tout interfèreur à bande étroite ne peut corrompre qu'une fraction des données transmises, permettant une correction d'erreur à l'avant de puissance inférieure et moins de retransmission en hauteur.

Spectre de diffusion directe des séquences (DSSS)

Le DSSS multiplie le flux de données avec un code de diffusion à haut débit (p. ex., code Barker dans IEEE 802.11b), élargissant la bande passante du signal. Au récepteur, le même code est utilisé pour disséminer le signal, récupérer efficacement les données originales pendant que l'interférence est étendue et filtrée. Le gain de traitement – le rapport de bande passante de la diffusion par rapport à la bande passante du signal original – améliore directement le rapport signal-interférence, permettant au récepteur de fonctionner avec une puissance de signal inférieure.

Le Bureau du développement des ressources humaines et son rapport avec la diffusion du spectre

Bien qu'il ne s'agisse pas strictement d'une méthode de diffusion du spectre au sens traditionnel, OFDM offre des avantages similaires : il est robuste contre l'effacement multipath et l'interférence en bande étroite, et il peut utiliser la modulation adaptative sur chaque sous-porteur pour économiser de la puissance. Les systèmes cellulaires modernes Wi-Fi (802.11ac/ax) et 4G/5G combinent OFDM avec des systèmes d'accès multiples ou à diffusion pour optimiser l'efficacité énergétique.

Comment la diffusion du spectre réduit la consommation d'énergie

La consommation d'énergie d'un émetteur-récepteur sans fil est fonction de la puissance de transmission, du temps actif et de l'efficacité du traitement analogique et numérique.

Amélioration de la robustesse du signal Réduction de la puissance de transmission requise

Dans un système à bande étroite, même un interféreur faible peut détruire l'ensemble du signal. L'émetteur doit soit augmenter la puissance pour surmonter le brouillage ou accepter des taux d'erreur élevés, ce qui entraîne des retransmissions qui drainent la batterie. La diffusion du spectre étend l'énergie sur une large bande, de sorte qu'un interférateur n'affecte qu'une petite partie du signal. Le gain de traitement du DSSS, ou la redondance du FHSS, signifie que le récepteur peut encore décoder le message avec un rapport signal-bruit inférieur (SNR). Par conséquent, l'émetteur peut réduire sa puissance de sortie tout en maintenant une fiabilité de liaison donnée. Par exemple, un appareil Bluetooth à faible énergie (BLE) utilisant le FHSS peut fonctionner avec une puissance apparente aussi faible que 0 dBm (1 mW), alors qu'un dispositif à bande étroite comparable peut avoir besoin de +10 dBm ou plus pour atteindre la même gamme et la même robustesse.

Réduction des retransmissions Conserver l'énergie

Chaque retransmission consomme de l'énergie pour le paquet de données et la reconnaissance. La résistance aux interférences et la diminution spectaculaire du nombre de paquets dans les environnements bruyants. Des études ont montré que dans un environnement Wi-Fi intérieur typique, 802.11b basé sur DSSS a atteint un PER inférieur à 1% à des plages où la modulation à bande étroite aurait une perte de paquets de 10 à 20%. Moins de retransmissions signifient que la radio passe moins de temps en mode de transmission, qui est l'état le plus faible en puissance dans un émetteur.

Modulation adaptative et codage avec spectre de propagation

De nombreux systèmes modernes de spectre de diffusion intègrent la modulation et le codage adaptatifs (AMC). Les conditions du canal de détection des émetteurs et des récepteurs et sélectionnent le taux de données le plus élevé qui peut être maintenu avec une faible erreur. Dans de bonnes conditions, une modulation de plus grande ordre (p. ex. 256-QAM dans le Wi-Fi) est utilisée, mais lorsque l'interférence ou la diminution s'aggrave, le système revient à un mode plus robuste et plus étendu (p. ex. BPSK avec un faible taux de codage). Cette adaptation permet de garantir que l'émetteur ne perd jamais de l'énergie sur une modulation plus agressive que le canal ne peut supporter.

Réduction des frais généraux liés à la sécurité

La diffusion du spectre fournit un niveau de sécurité intrinsèquement parce que le code de diffusion ou le modèle de saut est inconnu des écouteurs. Cela réduit le besoin de chiffrement et de frais d'authentification de couches supérieures qui consommeraient une puissance de traitement supplémentaire. Bien que les protocoles modernes appliquent encore le chiffrement, la sécurité de la couche physique du spectre de propagation peut réduire le fardeau de calcul dans les appareils IoT simples. Par exemple, un capteur à faible coût utilisant DSSS peut éviter la cryptographie lourde parce que l'interception du signal est déjà extrêmement difficile sans le code de propagation.

Fonctionnement d'amplificateur de puissance efficace

Les amplificateurs de puissance (PA) sont les plus efficaces lorsqu'ils fonctionnent près de la saturation. Cependant, le rétro-démarrage est souvent nécessaire pour maintenir la linéarité pour des schémas de modulation complexes. Les signaux de spectre, en particulier ceux utilisant la modulation à enveloppe constante (comme FHSS avec GFSK), permettent à l'AP de fonctionner plus près de son point de pointe. Bluetooth et Zigbee, tous deux basés sur FHSS, utilisent la modulation d'enveloppe constante ou quasi-constante, obtenant des rendements de PA supérieurs à 40%.

Applications dans les appareils sans fil modernes

Wi-Fi (IEEE 802.11)

Les normes suivantes (802.11a/g/n/ac/ax) ont adopté OFDM, mais ont conservé des propriétés de propagation semblables à l'utilisation de plusieurs sous-porteurs et de préfixes cycliques. Dans 802.11ax (Wi-Fi 6), la Division de fréquence orthogonale Multiple Access (OFDMA) permet au point d'accès d'assigner simultanément des sous-porteurs à plusieurs appareils, réduisant ainsi la discordance et l'écoute au ralenti, une source majeure de gaspillage de puissance.

Bluetooth et Bluetooth basse énergie (BLE)

Bluetooth Classic utilise le FHSS avec 79 canaux et un taux de saut de 1 600 houblon/s. Le BLE réduit le canal à 40 canaux et adopte un taux de saut plus lent pour réduire la consommation d'énergie. La nature du spectre de diffusion de Bluetooth lui permet de partager la bande ISM de 2,4 GHz avec Wi-Fi et d'autres appareils sans interférence débilitante, même lorsqu'il transmet à très faible puissance (aussi bas que -20 dBm dans certains modes).

Cellulaire: CDMA, WCDMA, LTE et 5G

CDMA (IS-95) a apporté DSSS aux réseaux cellulaires, permettant des sorties de mains souples et une puissance de transmission plus faible pour les téléphones mobiles. La WCDMA (UMTS) a étendu cette option avec des facteurs de propagation variables, permettant des vitesses d'adaptation et de contrôle de puissance. LTE a introduit ODDMA pour la liaison descendante et SC-FDMA pour la liaison ascendante, cette dernière variante de spectre de propagation qui réduit le PAPR au périphérique mobile. 5G Nouvelle Radio (NR) utilise OFDM avec espacement flexible sous-porteur et fournit un MIMO massif, qui concentre l'énergie dans des faisceaux étroits.

Internet des objets (IoT) et LPWAN

Les réseaux étendus de faible puissance (LPWAN) comme LoRaWAN et Sigfox utilisent un spectre de propagation pour atteindre une portée très faible. LoRa (Long Range) utilise une technique exclusive de diffusion du spectre de diffusion basée sur le spectre de propagation de chirp (CSS). Un signal à bande étroite nécessiterait une puissance élevée pour pénétrer les murs et atteindre des kilomètres, mais le gain de propagation de LoRa® permet de fonctionner sous le plancher sonore, permettant la réception à une fréquence extrêmement faible SNR. Les dispositifs terminaux LoRaWAN peuvent transmettre à +14 dBm (25 mW) mais atteignent des plages allant jusqu'à 15 km de visibilité. Le facteur de propagation peut être ajusté dynamiquement : des facteurs de propagation plus élevés augmentent la portée et la robustesse, mais réduisent le taux de données, permettant à l'appareil de choisir le meilleur échangeur de puissance.

Analyse comparative : Étendue du spectre par rapport à la modulation à bande étroite

Pour apprécier les économies d'énergie, il est utile de comparer un système de spectre à bande étroite équivalente. L'hypothèse que les deux doivent obtenir un taux de données de 1 kbps avec un taux d'erreur de 10^-3 à une distance de 100 mètres dans un environnement intérieur typique avec une interférence modérée du Wi-Fi et des fours à micro-ondes.

  • Baisse étroite:[ Un simple émetteur FSK ou OOK devrait produire environ +10 dBm pour surmonter l'encoche d'interférence à bande étroite. La perte de paquets due aux interférants pourrait atteindre 15 %, ce qui nécessiterait une moyenne de 1,18 transmissions par paquet (y compris les ACK).
  • DSSS (gain de traitement 11 dB):[ Avec les mêmes données de 1 kbps, la puissance transmise peut être réduite à 0 dBm parce que le gain de traitement fournit 11 dB de rejet d'interférence. La perte de paquets tombe à moins de 1%, donc les frais généraux de retransmission sont minimes. Puissance moyenne de transmission: environ +0,04 dBm.
  • FHSS (100 canaux, 20 ms) :[ L'émetteur peut utiliser 0 dBm aussi longtemps que le modèle de saut évite l'interféreur la plupart du temps. Si un canal est bloqué, seulement 1% des paquets sont perdus, nécessitant très peu de retransmissions. Puissance de transmission moyenne : essentiellement 0 dBm.

La différence de 10 dB correspond à un facteur de 10 en consommation d'énergie, ce qui représente une économie considérable pour un appareil alimenté par batterie.

Défis et compromis

Le spectre de diffusion n'est pas une balle magique. Le processus de diffusion lui-même consomme de la puissance – le traitement numérique de la bande de base pour le DSSS nécessite des corrélateurs à grande vitesse et le FHSS nécessite des synthétiseurs à fréquence rapide. Dans les appareils ultra-faible puissance, le dépassement du spectre de diffusion peut l'emporter sur les économies de puissance de transmission. Pour les liaisons à très courte portée (p. ex., communication à proximité du champ à quelques centimètres), la bande étroite peut être plus efficace en énergie parce que la perte de chemin est faible et le gain de propagation élevé est inutile.

Orientations futures : répartir le spectre en 6G et au-delà

À mesure que le sans-fil évolue vers le 6G, les concepts de spectre de diffusion sont revus dans le contexte des communications térahertz (THz) et de la communication lumineuse visible (VLC). Chez les fréquences THz, de très grandes largeurs de bande (multi-gigahertz) sont disponibles, ce qui rend le spectre de diffusion attrayant pour coexistant avec d'autres services. Cependant, la consommation de puissance des composants à haute fréquence demeure un défi. Les chercheurs explorent de nouvelles formes d'onde telles que le multiplexage de la division de fréquence généralisée (GFDM) et le multi-carrier de Filter Bank (FBMC) qui combinent les avantages de l'OFM avec l'atténuation des interférences de type amplitude.

Conclusion

La technologie de diffusion du spectre, qu'elle soit mise en œuvre sous forme de FHSS, DSSS, OFDM ou CSS, est devenue la pierre angulaire d'une communication sans fil écoénergétique. En améliorant la robustesse du signal, en réduisant les retransmissions, en permettant une modulation adaptative et en permettant une puissance de transmission plus faible, le spectre de diffusion étend directement la durée de vie de la batterie dans les appareils allant des smartphones aux petits capteurs.

Pour plus de détails, voir l'article FCC="s sur la consommation d'énergie dans les systèmes de spectre de diffusion, et l'article Bluetooth Technology Overview[ sur la consommation d'énergie dans les systèmes de diffusion de spectre pour plus de détails sur la FHSS dans BLE. D'autres informations sur l'OFM et l'efficacité énergétique sont disponibles dans les documents de l'Alliance Wi-Fi sur Wi-Fi 6.