1 grand défi pour la conception OTA est le test de coexistence. Serez-vous réussi?

Les interférences de signaux RF existent depuis le début de la technologie radar. Mais il a pris une nouvelle importance avec l’émergence des systèmes sans fil Wi-Fi.

À cette époque faste, le Wi-Fi commençait à devenir le protocole sans fil dominant. Cette émergence était un défi pour Bluetooth. Le Wi-Fi était même décrit comme un challenger du Bluetooth par les auteurs de technologie de l’époque, peu de temps après la publication de la norme IEEE 802.11b. Aujourd’hui, la norme a évolué vers la version IEEE 802.11ax ou simplement Wi-Fi 6, comme l’appelle la Wi-Fi Alliance.

John Blyler, Nouvelles du design

Historique de la norme sans fil Wi-Fi IEEE 802.11.

À l’époque, Bluetooth était considéré comme un simple remplacement de câble, et non comme un véritable système de réseau comme le Wi-Fi. La principale préoccupation était de savoir si la coexistence des deux protocoles sans fil entraînerait des interférences destructrices paralysant potentiellement les deux technologies. Ce problème d’interférence entre les signaux Bluetooth et Wi-Fi était si important que l’organisme de normalisation IEEE avait même un « groupe d’étude sur la coexistence 802 », présidé par Jim Lansford, vice-président du développement commercial pour Mobilian (acquis par Intel), en 2001. Aujourd’hui, Lansford est le directeur des normes techniques chez Qualcomm, où les problèmes de coexistence se sont étendus bien au-delà du Bluetooth et du Wi-Fi.

Dans les réseaux IoT, les appareils sans fil utilisent une variété de technologies, de signaux, de radios et de bandes pour communiquer. Des stratégies de coexistence sont nécessaires pour assurer la performance et la fiabilité et, bien, la coexistence dans la communication.

Les appareils intelligents basés sur des capteurs aident l’IoT à se déplacer vers les marchés de la domotique et de la fabrication industrielle. Une telle popularité des appareils sans fil a entraîné une énorme croissance de nouveaux points d’accès et passerelles, à la fois pour l’informatique de périphérie et le cloud computing. Il existe désormais plusieurs appareils communiquant via plusieurs protocoles sans fil, ce qui peut créer un cauchemar de coexistence à partir de signaux dans des bandes et des forces de signal qui se chevauchent.

Pour aggraver les choses, tous les protocoles populaires partagent la même bande ISM 2,4 GHz – du Wi-Fi et Zigbee à Thread et Bluetooth. Les passerelles modernes ont souvent une antenne différente pour prendre en charge chaque protocole. Les différents types d’antennes et de protocoles entraînent souvent une dégradation, qui se produit lorsqu’une ou plusieurs radios colocalisées fonctionnant avec une radio Wi-Fi émettent simultanément.

Les interférences de signal peuvent entraîner de nombreux problèmes, notamment une réactivité plus lente et une consommation électrique accrue de l’appareil lorsque les messages en collision sont renvoyés. Par exemple, si un réseau Zigbee partage un canal avec un réseau Wi-Fi, le réseau Wi-Fi bloquera souvent la communication Zigbee.

Test de coexistence

Étant donné que le Wi-Fi est la norme sans fil dominante, il est préférable de se concentrer sur la conception et les tests de coexistence du point de vue du Wi-Fi.

La communauté des normes et spécifications radio 2,4 GHz connaît depuis longtemps le problème des collisions de signaux. Depuis les premiers jours des normes, ces groupes ont fourni un certain niveau de techniques d’évitement des collisions et de capacités de renvoi de données après une collision. Par exemple, la spécification 802.15.4 (qui est la base de Zigbee, Thread et d’autres réseaux personnels à faible débit) nécessite des tentatives au niveau de la couche MAC et pour augmenter la livraison du signal. Les messages Bluetooth nécessitent des réponses, et si une réponse n’est pas reçue dans un délai programmable, l’application peut renvoyer le message.

Les protocoles à faible débit de données fonctionnant à des niveaux de puissance faibles dans les normes ISM 2,4 GHz ne posent généralement pas de problème et peuvent coexister avec le Wi-Fi sans impact significatif sur les performances.

Mais la coexistence peut être un défi pour les appareils Wi-Fi à haut débit et plus puissants. Dans un effort pour gérer ce problème, le Wi-Fi utilise un système de signalisation qui coordonne l’accès au spectre de 2,4 GHz lorsque la radio appropriée en a besoin.

Concevoir pour la coexistence est une chose ; le tester en est une autre. Les tests de coexistence mesurent la capacité de plusieurs appareils avec plusieurs radios à communiquer, le tout dans un seul environnement et avec une bande passante limitée. L’objectif est de s’assurer que l’appareil sans fil d’un utilisateur n’aura pas d’impact sur l’appareil sans fil d’un autre utilisateur. Les impacts peuvent aller de la perte de fonctions à des données corrompues en passant par des signaux interrompus.

Les paramètres de test pour mesurer les problèmes de coexistence commencent par définir l’environnement prévu dans lequel le ou les dispositifs sans fil fonctionneront normalement, par exemple, une usine, une maison, un bureau, etc. Ensuite, les principales fonctions liées aux protocoles sans fil et aux bandes RF associées doivent être déterminées. Les tests commencent par modéliser l’environnement prévu et introduire des interférences pour voir comment l’appareil et les signaux réagissent à l’aide d’un analyseur de spectre. Les tests réels de coexistence incluent l’imitation de l’environnement sans fil réel, souvent dans une chambre blindée RF.

Aujourd’hui, une grande partie des tests de coexistence se produit dans les produits OTA (over-the-air). Les tests OTA sont devenus la pierre angulaire du développement et du déploiement d’appareils et de produits IoT. Alors que de nombreux concepteurs concentrent leurs énergies et leurs budgets de test sur les logiciels, les aspects RF matériels des dispositifs OTA peuvent être négligés. Il est important de s’assurer que les antennes conçues ou sélectionnées fonctionneront comme prévu.

Les mesures de coexistence OTA sont généralement effectuées dans une chambre blindée pour garantir que d’autres signaux ne perturberont pas les tests, tels que ceux des points d’accès WLAN installés dans le laboratoire de test. Les résultats des mesures OTA ne dépendent pas seulement de la distance mais aussi du positionnement du dispositif sous test (DUT) par rapport à l’antenne de test.

Des tests d’interférence de coexistence sont nécessaires chaque fois que deux ou plusieurs systèmes radio différents coexistent au sein d’un même appareil et fonctionnent simultanément dans certaines fréquences et bandes RF. Les tests de coexistence sont souvent effectués dans des environnements spéciaux pour éliminer les signaux parasites et indésirables d’interférer avec le test. De tels tests seront essentiels alors que la popularité des systèmes IoT automatisés continue de croître dans la maison, le bureau et l’usine, ce qui conduit à un nombre toujours croissant d’appareils et de passerelles Wi-Fi, en particulier dans la gamme radio 2,4 GHz.