[APPLICATION NORDIC SEMICONDUCTOR] En plus d’une utilisation massive dans des secteurs tels que la santé, les biens de grande consommation, l’audio ou l’industrie, le Bluetooth LE s’est aussi imposé pour créer des solutions de positionnement. A savoir détecter et indiquer la présence d’un autre appareil à proximité, en vue d’estimer la distance entre les appareils et calculer la direction dans laquelle rechercher un autre appareil. Aujourd’hui avec le Bluetooth 6.0 ce domaine d’application prend de l'envergure grâce à la technologie Channel Sounding. Le présent article explique ce qu’est le Channel Sounding et comment les développeurs peuvent utiliser les SoC et outils de développement de Nordic Semiconductor pour créer de nouvelles applications de télémétrie. 

Auteur : Pawel Kanafek, 

Senior Product Marketing Engineer 

Nordic Semiconductor

La dernière mouture de la spécification Bluetooth Core Specification (détaillant la spécification Bluetooth 6.0) ajoute en son sein une nouvelle fonctionnalité de télémétrie appelée Bluetooth Channel Sounding (sondage de canaux). Cette technologie permet d’effectuer une mesure sûre et précise entre deux appareils Bluetooth et promet de nombreuses applications innovantes de mesure de proximité et de distance sans fil. 

Au-delà, le Channel Sounding devrait à l’avenir être largement intégré dans les téléphones portables ainsi que par un large éventail d’autres produits Bluetooth LE alimentés par batterie, offrant ainsi un nistandardisation et interopérabilité. 

Mais qu’est ce que le “Channel Sounding” ? 

Le Bluetooth LE intègre depuis longtemps déjà une technologie de service de positionnement et de localisation des appareils. Par exemple, le profil Find Me a été intégré à la spécification Bluetooth Core dès la première version du Bluetooth LE (en tant qu'avancée principale du Bluetooth 4.0).

Un peu plus tard, comme la fonction de recherche de balises est devenue populaire en tant qu'application du Bluetooth LE, une valeur dans la spécification Bluetooth, connue sous le nom de “TX Power ” a fourni un niveau de puissance de référence à un mètre de distance de la balise ou de l’autre appareil émetteur. Les signaux RF s’atténuent à peu près de façon inversement proportionnelle au carré de la distance à partir de l’émetteur. C’est pourquoi, en connaissant la valeur “TX Power”, un indicateur de la force du signal reçu (RSSI, pour Received Signal Strength Indication) pouvait être utilisé pour estimer grossièrement la distance entre la balise et un autre émetteur ou récepteur - proche, connecté ou hors de portée.

Puis, en 2019, la fonctionnalité de détection de la direction du signal radio (DF, pour Direction Finding) a été introduite dans la version Bluetooth 5.1. Cette technique permet aux applications de calculer avec précision la direction d’un signal reçu grâce aux mesures de phase effectuées par le contrôleur Bluetooth LE. Deux méthodes ont été définies : la mesure de l’angle d’arrivée (AoA, Angle of Arrival) et la mesure de l’angle de départ (AoD, Angle of Departure).

Pour plusieurs raisons essentielles, le Channel Sounding apporte désormais une solution simple et fiable pour les applications de télémétrie. Tout d’abord, il est standardisé et interopérable. Ensuite, il est compatible avec des appareils très simples, ou peut être ajouté sur des produits plus avancés, sans coût supplémentaire sur le plan matériel et avec une empreinte logicielle minime.

De plus, sa consommation énergétique est très basse, similaire à celle de la transmission habituelle de données à travrs le Bluetooth LE. 

Enfin, le Channel Sounding est compatible avec différentes options de configuration matérielles et logicielles en matière de précision, latence, sécurité et consommation énergétique. 

Vers une télémétrie de précision

La spécification Bluetooth pour le Channel Sounding définit ainsi de nouvelles caractéristiques pour la radio (PHY) et le contrôleur, ainsi que des mesures et procédures de sécurité nécessaires pour collecter les données de mesure brutes.

Cependant, la conversion des données brutes en mesure de distance à l’aide d’algorithmes spécifiques est réalisée au niveau applicatif et se trouve donc en dehors du champ de la spécification. La configuration des mesures et des algorithmes peut être ajustée pour équilibrer différents paramètres de l’application comme la précision, la latence, la sécurité et la consommation requises. 

Les différences de phase entre les signaux à deux fréquences différentes peuvent être utilisées pour déterminer la distance entre l’initiateur et le réflecteur

La technologie sous-jacente au Channel Sounding est complexe mais on la retrouve soit dans la méthode de mesure de phase dite PBR (Phase-Based Ranging), soit dans la méthode du délai aller-retour (Round-Trip Timing). La mesure PBR est fondée sur le décalage de phase du signal envoyé par un dispositif A (initiateur) et renvoyé par le dispositif B (réflecteur) à des fréquences multiples. La conversion des données brutes en distance utilise des algorithmes spécifiques et est réalisée au niveau applicatif. 

La technique RTT quant à elle s'appuye sur le temps que mettent les paquets radio pour effectuer un aller-retour entre l’initiateur et le réflecteur. La technique RTT sert de méthode sûre de délimitation de la distance pour vérifier la mesure PBR, et les algorithmes utilisés pour calculer la distance sont plus simples que ceux utilisés pour la mesure PBR. 

Dans le détail, la mesure de phase dite PBR utilise un initiateur et un réflecteur pour réaliser la télémétrie. L’initiateur envoie un signal d’une fréquence connue, qui est ensuite renvoyé par le réflecteur. La différence de phase entre le signal envoyé et le signal reçu est mesurée. Le processus est ensuite répété en utilisant un signal à une autre fréquence. En se basant sur les différences de phase observées en fonction des différentes fréquences utilisées, un algorithme spécifique calcule la distance entre l’initiateur et le réflecteur. 

La technique du délai aller-retour (Round-Trip Timing) mesure le temps mis par un paquet de données pour voyager entre l’initiateur et le réflecteur et pour en revenir, multiplie le RTT mesuré par la vitesse de la lumière (C) pour ensuite diviser le résultat obtenu par deux. Une quantité de temps connue est soustraite du temps de vol global pour prendre en compte le temps que met le réflecteur à recevoir puis à renvoyer le paquet.

Le temps de vol d’un paquet radio entre l’initiateur et le réflecteur peut être utilisé pour déterminer la distance entre les appareils.

Comme toutes les améliorations Bluetooth LE, le Channel Sounding ouvrira la voie à un grand nombre de nouvelles applications, qu’il est encore difficile d'imaginer. Mais voici quelques exemples qui semblent évidents, comme l’amélioration des balises Bluetooth. 

Un champ des possibles immense pour de nouvelles applications 

Les solutions actuelles de balises Bluetooth fonctionnent bien, mais peuvent poser problème lorsque, une fois activées, les vibrations ou le signal sonore qu’elles émettent se retrouvent étouffés par les coussins du canapé ou les couvertures. Le Channel Sounding permettra à ce niveau des alertes de proximité de type chaud/froid précises sur de longues distances afin de contourner les limites des alarmes sonores et vibratoires.

Autre application qui bénéficiera du Channel Sounding : le verrouillage intelligent. La détection de la présence d’une personne souhaitant activer le verrouillage sera améliorée et les systèmes de contrôle d’accès bénéficieront d’une solide protection contre les attaques de l’homme du milieu ou les attaques relais. Les appareils bénéficieront également de la technologie. La contextualisation de la présence ou de la distance apportera des améliorations significatives à l’expérience utilisateur.

Par exemple, les informations relatives au contexte physique fournies par le Channel Sounding seront utiles lors de l’interfaçage de plusieurs appareils, et viendront soutenir les fonctionnalités de sécurité qui activent les fonctions de contrôle uniquement lorsque l’utilisateur est à proximité de l’appareil. 

Certes, le Bluetooth LE est déjà largement utilisé pour les services de localisation et de suivi des actifs. Cependant, le Channel Sounding améliorera la précision, la fiabilité et l’ergonomie de ce type d’applications sans ajouter de complexité ni de surcoût aux solutions existantes. 

Des aides au développement nécessaires pour le Channel Sounding

Les SoC de quatrième génération de Nordic en cours de développement, notamment les séries nRF54L et nRF54H, prendront en charge le Bluetooth 6.0 et le Channel Sounding. Le support de développement pour les séries nRF54 sera assuré par une mise à jour du kit de développement logiciel (SDK) unifié et évolutif de Nordic, le SDK nRF Connect. 

Tandis que le Channel Sounding du Bluetooth fournira une bonne base pour les applications de télémétrie et de détection de proximité basées sur les techniques PBR et RTT, il existe néanmoins une solution propriétaire alternative. La boîte à outils spécifique Nordic Distance Toolbox (NDT) permet de faire de la télémétrie avancée en s’appuyant sur les techniques PBR et RTT à destination des développeurs qui ont besoin de ces capacités en dehors de l’écosystème Bluetooth, ou qui voudraient mettre en œuvre des applications liées sur certains SoC des séries nRF52 et nRF53 de Nordic.

Le nRF54L15 est une puce-système sans fil de quatrième génération de Nordic qui en plus du Bluetooth LE et du Bluetooth Mesh, prend en charge le Channel Sounding.

La bibliothèque logicielle livrée avec le SDK nRF Connect comprend un algorithme qui détermine avec précision la distance entre deux appareils compatibles NDT, en améliorant significativement la précision par rapport à des solutions basées uniquement sur la méthode d’indication de la force du signal reçu (RSSI, pour Received Signal Strength Indication). En d'autres termes, le SDK nRF Connect comprend un échantillon qui présente les fonctionnalités de la boîte à outils NDT. 

Un marché d'environ 60 milliards de dollars d'ici 2032

Selon les prévisions Fortune Business Insights, de marché de la télémétrie avec Bluetooth qui était de 21,25 milliards de dollars en 2023 devrait atteindre les 59,64 milliards de dollars d’ici 2032 car de nombreuses autres applications peuvent également être prises en charge par les capacités avancées de télémétrie et de détection de proximité. 

Grâce à l’arrivée du Channel Sounding dans la spécification Bluetooth, les développeurs disposent ainsi désormais d’un nouvel outil puissant pour construire des applications séduisantes pour des marchés en plein essor comme ceux du suivi des actifs ou de la sécurité.