U Blox: Le Wi-Fi au cœur de la voiture connectée
Les automobiles modernes ressemblent de plus en plus à des dispositifs mobiles de l'Internet des objets (IdO), utilisant un ensemble de capteurs pour améliorer la sécurité et le confort du conducteur ainsi que des passagers en collectant et en agissant sur les données internes et externes.
Figure 1 : Les applications embarquées exigent de plus en plus de bande passante sans fil.
Les communications sans fil sont un facteur fondamental de cette évolution de la technologie automobile. Les volumes croissants de données générées par des applications telles que les systèmes avancés d'aide à la conduite (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) et l'infodivertissement embarqué (In-Vehicle Infotainment, IVI) stimulent également l'innovation dans les technologies sans fil telles que Bluetooth, Wi-Fi et la téléphonie cellulaire. Le Wi-Fi en particulier est bien établi dans le secteur automobile et a répondu aux exigences de la voiture connectée avec une série de versions ciblées, passant du Wi-Fi 5 au Wi-Fi 6 et 6E, puis au Wi-Fi 7, chaque version offrant des améliorations en termes de bande passante, de débit et d’efficacité.
Dans le présent article, nous examinons ces développements dans l'industrie automobile et l'évolution connexe du Wi-Fi, avant de considérer comment les développeurs d'applications automobiles peuvent maximiser les avantages des dernières versions du Wi-Fi.
L'ère de la voiture connectée
Des dispositifs électroniques sophistiqués transforment l'automobile moderne, améliorant la sécurité, le confort et l'expérience du conducteur et des passagers, tout en permettant la création d'un riche écosystème de support autour du véhicule. Les systèmes d'infodivertissement embarqués (IVI) sont de plus en plus pointus et prennent en charge les fonctionnalités de streaming audio et vidéo, tandis que les systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) interprètent les données d'une multitude de capteurs à l'intérieur du véhicule.
Les communications sans fil sont au cœur de cette transformation, permettant non seulement le transport de données au sein du véhicule, mais aussi le concept d'«Internet des véhicules», autrement dit de voiture connectée. Ces voitures connectées partagent de plus en plus de données avec l'environnement extérieur, notamment les autres usagers de la route, les infrastructures routières intelligentes et les piétons. Selon certaines estimations, les véhicules autonomes généreront jusqu'à 80 Go de données par heure de conduite, dont une proportion importante sera transférée en dehors de la voiture, ce qui permettra de réaliser des diagnostics à distance et de la maintenance prédictive.
L'augmentation rapide du nombre d'applications et d'utilisations possibles de l'automobile connectée (figure 1) entraîne une hausse de la demande de bande passante et de débit sans fil.
Les applications IVI sont gourmandes en données, Spotify utilisant à lui seul jusqu'à 150 mégaoctets par heure, tandis que certaines estimations suggèrent que les systèmes ADAS haut de gamme peuvent collecter jusqu'à 1,4 téraoctets par heure. Parallèlement, les équipementiers abandonnent les approches transactionnelles traditionnelles pour se concentrer sur la monétisation de leurs bases installées, via des services tels que les mises à jour de logiciels, de fonctionnalités OTA et les applications commerciales embarquées. Alors que le parc mondial de voitures connectées devrait presque quadrupler, passant de 236 millions d’unités en 2021 à 863 millions en 2035, la dépendance à l’égard des données sans fil ne fera qu’augmenter.
Les applications automobiles connectées dépendent actuellement fortement de Bluetooth® et de Wi-Fi, mais les deux technologies doivent évoluer pour éviter les risques d'affaiblissement du signal et de dégradation des performances. Le nombre croissant d'applications embarquées, chacune avec son propre ensemble de caractéristiques et d'exigences en matière de système, impose des contraintes plus élevées sur la manière dont le système Wi-Fi gère ses ressources, et la bande 2,4 GHz, partagée à la fois par Bluetooth® et Wi-Fi, devient surpeuplée. Bien que la disponibilité de la bande 5 GHz ait facilité la situation, d'autres mesures, telles que l'introduction de la bande 6 GHz dans le cadre du Wi-Fi 6E, sont nécessaires pour décongestionner le système et augmenter le débit.
La voiture ne serait pas connectée sans Wi-Fi
Le Bluetooth et le Wi-Fi sont tous deux bien établis dans l'architecture des véhicules connectés, avec les technologies cellulaires comme le LTE et, de plus en plus, la 5G prenant en charge la connectivité externe. Bien que la 5G promette des améliorations significatives en termes de bande passante, de débit et de temps de latence, les analystes prévoient que plus de 70% du trafic 5G futur sera déchargé sur le Wi-Fi, afin de minimiser les coûts. En pratique, des solutions multimodes permettront aux applications de basculer entre la 5G et le Wi-Fi, en fonction de l'attractivité (couverture, débit, coût, etc.) du réseau concerné. Dans les villes très fréquentées, par exemple, avec de nombreuses voitures et une forte demande de données, la 5G et le Wi-Fi pourraient fonctionner simultanément, tandis que dans des situations telles que les stations de recharge ou les parkings, le Wi-Fi seul sera en mesure de prendre en charge les débits de données requis.
Les applications automobiles ont accès à d'importantes évolutions, en cours et planifiées, de la norme Wi-Fi, qui devraient apporter des niveaux d'efficacité accrus ainsi qu'un spectre et un débit sans fil plus étendus. Ces évolutions, associées à la rentabilité du spectre sans licence, consolideront la position centrale du Wi-Fi dans l’architecture automobile, et les livraisons d’unités Wi-Fi automobiles devraient continuer de croître (figure 2).
Figure 2 : Prévisions des livraisons d'unités Wi-Fi automobiles.
Le Wi-Fi répond aux exigences de la voiture connectée
Depuis son apparition en 2011, le Wi-Fi est devenu une fonctionnalité courante dans les automobiles modernes. Alors que la plupart sont actuellement équipés du Wi-Fi 5 (802.11ac), les constructeurs automobiles et les équipementiers profitent de plus en plus des fonctionnalités et capacités améliorées du Wi-Fi 6 et du Wi-Fi 6E (figure 3) dans leurs appareils afin d'assurer l'avenir de leurs véhicules. Selon les analystes d'ABI Research, 70% des puces Wi-Fi utilisées dans les applications automobiles seront des puces Wi-Fi 6 en 2024, les livraisons de composants Wi-Fi 6E augmentant également rapidement, les dispositifs Wi-Fi 7 devant faire leur apparition en 2027.
Figure 3 : Les versions successives du Wi-Fi introduisent des fonctionnalités et des capacités supplémentaires.
Lancé en 2014, le Wi-Fi 5 a résolu le problème de la congestion dans la bande 2,4 GHz en fonctionnant sur la fréquence la moins encombrée de 5 GHz. Le Wi-Fi 5 a introduit d'autres techniques telles que le MIMO Multi-Utilisateurs (Mu-MIMO) et la modulation OFDM pour améliorer l'utilisation du spectre et le débit. Bien que la plupart des voitures connectées utilisent actuellement la technologie Wi-Fi 5, de nouvelles versions apportent des améliorations significatives, en particulier pour les applications gourmandes en bande passante et en débit fonctionnant dans des environnements difficiles et encombrés.
Le Wi-Fi 6 (802.11AX), lancé en 2019, utilise plusieurs techniques pour réduire la congestion, prendre en charge des débits de données plus élevés et améliorer l'expérience utilisateur, et offre une efficacité spectrale jusqu'à quatre fois supérieure à celle du Wi-Fi 5. L'accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access, OFDMA), un système de modulation numérique d'ordre élevé qui permet à un plus grand nombre d'utilisateurs de communiquer simultanément, est un élément fondamental de cette amélioration des performances.
Contrairement au multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), utilisé dans le Wi-Fi 5, qui transmettait séquentiellement des paquets de données de largeur de bande fixe, l'OFDMA transmet simultanément des paquets de données de taille variable en utilisant 256 sous-porteuses au lieu de 64. Comme l'illustre la figure 4, l'OFDM dédie un paquet dans un seul flux à un seul appareil, tandis qu'avec le partage de canal OFDMA, un paquet peut inclure des informations destinées à plusieurs clients dans plusieurs flux simultanément.
L'OFDMA améliore donc la capacité des dispositifs dans les environnements denses et réduit l'impact de l'évanouissement par trajets multiples des signaux porteurs à haute fréquence, augmentant ainsi la robustesse du Wi-Fi 6 dans les environnements extérieurs.
Les autres caractéristiques principales du Wi-Fi 6 incluent:
- La modulation 1024-QAM augmente le débit de 25% par rapport au schéma de modulation 256-QAM utilisé par le Wi-Fi 5, en permettant à chaque symbole de transporter 10 bits au lieu de 8.
- La technologie Multi User Multiple-In Multiple-Out, (MU-MIMO) est déployée à la fois dans la liaison montante et la liaison descendante dans Wi-Fi 6, augmentant encore le débit et la capacité dans les deux sens.
- La fonction Target Wake Time, (TWT) réduit la consommation d'énergie en permettant aux systèmes de négocier quand et à quelle fréquence ils se réveilleront pour envoyer ou recevoir des données. Le TWT est précieux pour les applications qui doivent fonctionner lorsque la voiture n'est pas utilisée, réduisant ainsi la consommation l'énergie de la batterie.
- La fonctionnalité Single User Extended Range augmente la durée pendant laquelle un symbole reste en l'air d'une microseconde à dix. Bien que cet allongement de la durée de transmission des symboles réduise le débit de données, la qualité et la fiabilité de la transmission des données sont améliorées, ce qui permet la transmission sur de plus longues distances.
Figure 4 : Le Wi-Fi 6 utilise l'OFDMA pour améliorer l'efficacité spectrale.
Après le Wi-Fi 6, le Wi-Fi 6E a été rapidement adopté par de nombreux pays depuis la décision de la FCC en 2020 d’ouvrir la bande des 6 GHz. En utilisant la bande 6 GHz, le Wi-Fi 6E donne aux applications l'accès à un spectre supplémentaire allant jusqu'à 1,200 MHz (selon le pays), permettant la migration du trafic de données vers des fréquences plus élevées, réduisant ainsi la pression sur la bande 2,4 GHz. Le Wi-Fi 6E multiplie par quatre la capacité de la bande passante, avec des dispositifs capables de fonctionner sur 14 canaux supplémentaires de 80 MHz ou 7 canaux supplémentaires de 160 MHz (figure 5).
Figure 5 : Le Wi-Fi 6E s'ouvre à l'utilisation d'un nouveau spectre dans la bande 6 GHz.
La toute dernière évolution de la norme Wi-Fi est IEEE802.11be – ou Wi-Fi 7 Le Wi-Fi 7 fonctionne sur les bandes 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz et offre un débit extrêmement élevé. Cette dernière norme Wi-Fi comprendles fonctionnalités suivantes :
- Un doublement de la largeur de canal par rapport à Wi-Fi 6, de 160 MHz à 320 MHz
- Modulation 4096-QAM, permettant à chaque symbole de transporter 12 bits
- Utilisation plus efficace du spectre des canaux en permettant d'attribuer plusieurs unités de ressources à un seul utilisateur
- Fonctionnement en liaisons multiples, permettant aux systèmes d'envoyer et de recevoir simultanément des données sur différentes bandes de fréquences et canaux, augmentant ainsi le débit, réduisant la latence et améliorant la fiabilité.
u-blox, le Wi-Fi et le secteur automobile
La technologie Wi-Fi est déjà bien établie dans l'industrie automobile et la série de versions ciblées décrites ci-dessus offre aux développeurs d'applications automobiles telles que IVI, ADAS et les unités de contrôle télématiques, une voie de mise à niveau à mesure que les automobiles modernes génèrent des quantités croissantes de données. Dans cet environnement en constante évolution, les équipementiers et les fournisseurs de niveau 1 doivent choisir la voie de développement qui leur permettra d'atteindre le plus rapidement possible le marché tout en optimisant les coûts.
En tant que leader mondial de la technologie automobile, u-blox a toujours aidé ses clients à réussir et la série de modules JODY poursuit cet engagement, offrant des options de développement rapides et simplifiées pour les applications basées sur Wi-Fi, Bluetooth Classic et LE dans toutes leurs variantes. Les modules pré certifiés et les kits de développement correspondants de la gamme automobile à succès JODY sont parfaitement adaptés à la télématique automobile et aux applications IVI. Les modules prennent en charge un large éventail d'utilisations, notamment les unités de contrôle télématique (Telematics Control Units TCU), les mises à jour OTA, les ECU (Engine Control Units), ainsi que la connexion de caméras via Wi-Fi. Le portefeuille JODY offre de multiples avantages au développeur, en réduisant le temps de développement, en simplifiant la conception des circuits imprimés et des dispositifs et en accélérant les délais de mise sur le marché, tout en réduisant les coûts globaux directs et indirects.
À mesure que les constructeurs automobiles utilisent la technologie pour différencier leurs véhicules, les voitures connectées continueront d’exiger des communications sans fil hautement performantes. Déjà bien établi dans le secteur automobile, le Wi-Fi offre une voie de mise à niveau bien définie aux équipementiers et aux entreprises de niveau 1, et les modules pré certifiés tels que ceux de la gamme JODY d'u-blox permettent au développeur de garder une longueur d'avance sur le marché.
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