Ultra Wideband (UWB) : quand Apple veut démocratiser la géolocalisation précise

La puce U1 intégrée à l’iPhone 11 se sert de la bande ultra-large, un standard apparenté au Bluetooth ou au Wi-Fi et permettant de localiser précisément des objets. Aujourd’hui réservé aux applications industrielles, l’UWB pourrait booster la réalité augmentée grand public.

Petite annonce passée inaperçue à la keynote de l’iPhone 11 ce 10 septembre 2019, la puce U1 d’Apple promettait de permettre un AirDrop amélioré. Il suffirait dorénavant de pointer son smartphone vers celui de quelqu’un d’autre pour lui envoyer un fichier. Pourtant, derrière cette fonctionnalité un peu gadget, c’est une technologie entière qu’Apple voudrait démocratiser.

L’ultra-wideband (UWB, ou bande ultra-large) est un standard radio connu depuis des décennies, approuvé par le régulateur américain des télécoms dès 2002. Mais il était resté jusqu’alors cantonné à des applications industrielles — l’électronique grand public lui préférant le Bluetooth ou le Wi-Fi. Il permet à la fois des localisations très précises d’objets et de transmettre des données plus rapidement que le Bluetooth. Voici comment il fonctionne, et pourquoi on n’en entend parler que maintenant.

Comment localiser des objets ?

Point commun de l’UWB, du Bluetooth et du Wi-Fi : ce sont tous les trois des ondes électromagnétiques, c’est-à-dire de la lumière. Mais c’est une lumière très différente de celle que l’on voit avec nos yeux, car elle n’est pas située sur la même bande de fréquences. La lumière visible a par exemple une fréquence de l’ordre de 1 million de GHz. Les ondes radio, qui nous intéressent ici, ont diverses fréquences en dessous d’environ 15 GHz. Lorsque des appareils communiquent sans fil, ils s’envoient des signaux lumineux d’une couleur (fréquence) précise. Les autorités des télécoms s’assurent de réguler l’utilisation des bandes de fréquence pour éviter toute cacophonie lumineuse.

Pour les ondes radio utilisées dans notre vie quotidienne, l’air n’est pas transparent. C’est comme quand vous nagez sous l’eau : vous pouvez voir à une certaine distance, mais l’eau absorbe progressivement la lumière et devient opaque au loin. De même, les signaux électromagnétiques s’affaiblissent quand ils voyagent, et ce à des vitesses différentes selon leur bande de fréquence.

5 mètres de précision par Wi-Fi, 1 à 2 mètres par Bluetooth 5.0

Un smartphone peut ainsi remplir une fonction de « senseur de proximité », et remarquer s’il est suffisamment proche d’une balise émettrice pour en saisir un signal continu. C’est ce que permettent les grandes deux technologies en vigueur, le Bluetooth Low Energy (BLE) et le Wi-Fi. Mais ce n’est pas encore une mesure de distance. Pourtant, si on parvient à mesurer la force du signal, ne peut-on pas conclure que plus le signal est fort, plus la distance est faible ?

C’est ce que font les technologies actuelles, mais ce n’est pas efficace, et ce pour deux grandes raisons. D’abord, il suffit de mettre un obstacle en métal ou en béton entre la balise et le téléphone pour que le signal s’affaiblisse considérablement. Deuxièmement, il y a le souci des interférences. S’il y a trop de signaux lumineux de la même couleur, ce qui est souvent le cas sur les bandes du Bluetooth et du Wi-Fi, celui de la balise se retrouvera vite noyé dans la masse. Résultat, la précision d’une localisation est d’environ 5 mètres par Wi-Fi, et 1 à 2 mètres par Bluetooth 5.0.

L’UWB apporte des solutions à ces deux problèmes. Il fonctionne avec des impulsions très rapides. Au lieu de mesurer la force du signal, on peut ainsi mesurer le time of flight (ToF), c’est-à-dire le temps nécessaire au signal pour passer d’un appareil à l’autre. La vitesse de la lumière étant à peu près fixe, cela permet avec trois balises de trianguler une position avec une précision de 5-10 centimètres. Comme son nom l’indique, l’UWB émet sur une large bande de fréquences : s’il y a trop d’interférences lumineuses sur une couleur donnée, les autres couleurs permettent de compenser.

Des entrepôts aux smartphones

Où utilise-t-on l’UWB aujourd’hui ? Essentiellement dans les entrepôts. Dans ces lieux, il faut pouvoir connaître avec précision la position de telle ou telle marchandise, ou encore garder la trace des palettes de transport qui se faufilent dans les allées. Si l’UWB ne s’est pas répandu au-delà des applications industrielles, c’est d’abord parce que ses composants sont historiquement plus chers que ceux d’une antenne Bluetooth ou Wi-Fi.

L’UWB étant peu courant chez le grand public, les constructeurs d’appareils divers ont eu peu de raisons de l’intégrer à leur tour. Un cercle vicieux bien connu parmi les standards technologique, et que Apple aime volontiers briser. La firme avait par exemple intégré le port USB à ses iMac à la fin des années 1990, popularisant ainsi un standard performant qui peinait à décoller. Et en janvier 2019, le géant avait déjà breveté une version UWB de son iBeacon, sa balise Bluetooth de localisation qui existe depuis 2014.

La localisation par UWB pourrait servir, du côté d’Apple, à un futur produit surnommé Apple Tag. Ce jeton géolocalisable serait similaire à ce que propose une startup comme Tile, et pourrait être accroché à un trousseau de clés ou au collier d’un animal de compagnie pour être sûr de ne jamais les perdre. L’évolution serait dans la lignée du nouveau service Find My, dévoilé à la WWDC 2019 de juin, qui utilise lui des balises Bluetooth pour pister des appareils Apple perdus.

Un monde en réalité augmentée ?

Mais on suspecte aussi que l’Apple Tag s’intégrerait aux développements de la Pomme sur la réalité augmentée. En fouillant dans le build interne d’iOS 13, MacRumors avait déniché les traces d’une fonction de l’application Find My où l’objet perdu serait indiqué par un ballon de baudruche en AR. On imagine qu’une fois intégrés dans des objets, des étiquettes ou des devantures de magasins, des émetteurs UWB permettraient d’afficher tout un tas d’informations sur des smartphones proches via une application d’AR.

Ce serait un peu comme un grand jeu vidéo où pour chaque objet avec lequel on pourrait interagir, il serait possible d’ouvrir un panneau informatif à son sujet. À une échelle moins ambitieuse, un musée islandais teste déjà ce genre d’initiative avec des audioguides UWB qui s’adaptent automatiquement à la position du visiteur.

Au-delà de la localisation, l’UWB a d’autres tours dans sa poche. Il permet de transférer entre 6 et 8 Mo/s de données, ce qui est plus que les 2 Mo/s du Bluetooth 5.0, et sa consommation énergétique est très en dessous de celle du Wi-Fi. Apple souhaite en profiter pour un AirDrop amélioré, mais on commence à voir des percées dans d’autres domaines. Fin août 2019, le fabricant de semi-conducteurs NXP s’associait avec la marque Volkswagen pour démontrer une clé de voiture UWB. Cela permettrait de parer les attaques par relais, de plus en plus impliquées dans des vols de voitures à entrée mains libres, en assurant que la clé se trouve bien juste à côté de la voiture.

On peut cependant se demander pourquoi Apple est allé chercher un standard comme l’UWB, alors que des améliorations d’autres technologies pourraient parvenir à un résultat similaire. Par exemple la spécification Bluetooth 5.1, entérinée en janvier 2019 par la Bluetooth SIG et qui n’équipe pas encore de smartphones. Celle-ci promet de meilleures performances en localisation que ses prédécesseurs, « au centimètre près », grâce à des mesures sur les angles de départ (AoD) et d’arrivée (AoA) du signal. Et il y a fort à parier que le Bluetooth 5.1 sera plus facile à intégrer pour les constructeurs qu’une technologie complètement différentes comme l’UWB.

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