UWB et certification FiRa Consortium
Guide, UWB et FiRa Consortium
L'Ultra-Wideband (UWB) est passe en quelques annees du statut de technologie de positionnement courte distance de niche a celui de radio grand public utilisee pour les cles de voiture securisees, le controle d'acces par smartphone, les systemes de localisation temps reel et la detection de proximite. La pile de standardisation reflete cette evolution. Au niveau physique, IEEE 802.15.4z (2020) a ajoute le PHY HRP avec des primitives de ranging securise. Au-dessus du PHY, le FiRa Consortium, fonde en 2019 par Bosch, NXP, Samsung, Sony et ASSA ABLOY notamment, definit le profil MAC, la couche service et le plan de test d'interoperabilite. En parallele, des regimes radio regionaux s'appliquent: ETSI EN 302 065-1 (2016) et CEPT/ECC Decision (06)04 dans l'UE, FCC Part 15 Subpart F (2002 et amendements) aux Etats-Unis, ARIB STD-T91 (2008) au Japon et les notices KCC en Coree. Cette page cartographie la pile de certification d'un produit UWB: conformite radio, profils FiRa, ranging securise, plans de test AoA et pieges d'integration recurrents.
La pile de certification UWB
Section intitulée « La pile de certification UWB »Un produit UWB se trouve a l'intersection de trois couches normatives que les equipes d'ingenierie confondent souvent au stade de la planification.
| Couche | Objet | Reference |
|---|---|---|
| Reglementation radio | Allocation de spectre, limites d'emission, masques en-bande et hors-bande, rapport cyclique, restrictions indoor ou handheld | EN 302 065-1, FCC Part 15 Subpart F, ARIB STD-T91, notices KCC |
| Couche physique et MAC | Modulation, forme d'impulsion, structure de trame de ranging, primitives de timestamp securise | IEEE 802.15.4z |
| Application et interoperabilite | Couche service, gestion de session de ranging, profils (Access, Mobile, RTLS, Smart Home), plans de test interop | FiRa Consortium PHY/MAC/Interop Test Specifications, CCC Digital Key 3.0 |
L'implication pour le planning projet est directe. La conformite radio est obligatoire sur chaque marche cible. La conformite PHY/MAC et la certification de profil FiRa sont des exigences commerciales imposees par l'ecosysteme: une puce UWB qui echoue a l'interop FiRa ne communiquera pas avec les telephones, les voitures ou les lecteurs d'acces, quelle que soit la proprete de son spectre.
IEEE 802.15.4z (2020), le PHY HRP pour ranging securise
Section intitulée « IEEE 802.15.4z (2020), le PHY HRP pour ranging securise »L'amendement 802.15.4z, ratifie en 2020, ajoute deux PHY a IEEE 802.15.4: un PHY HRP (High Rate Pulse) ameliore et un nouveau PHY LRP (Low Rate Pulse). La variante HRP est celle utilisee par FiRa, par CCC et par l'ecosysteme UWB grand public en general.
Canaux et plan de bandes
Section intitulée « Canaux et plan de bandes »| Canal | Frequence centrale | Largeur de bande | Groupe de bande |
|---|---|---|---|
| Canal 5 | 6489,6 MHz | 499,2 MHz | Bande basse (6 a 7 GHz) |
| Canal 6 | 6988,8 MHz | 499,2 MHz | Bande basse |
| Canal 8 | 7488,0 MHz | 499,2 MHz | Bande haute (7 a 8,5 GHz) |
| Canal 9 | 7987,2 MHz | 499,2 MHz | Bande haute |
| Canal 10 | 8486,4 MHz | 499,2 MHz | Bande haute |
Les canaux 5 et 9 sont les piliers de l'ecosysteme FiRa parce qu'ils se situent en securite dans les zones autorisees UE, US, Japon et Coree et evitent la plupart des restrictions de sous-bandes nationales. Les canaux 6, 8 et 10 sont utiles pour la coordination multi-canal mais demandent une analyse par region: le canal 8, par exemple, est au coeur de l'autorisation FCC Part 15 Subpart F mais partiellement restreint au Japon sous ARIB STD-T91 (2008).
STS, la sequence de timestamp securisee
Section intitulée « STS, la sequence de timestamp securisee »L'apport phare de 802.15.4z est le champ STS (Scrambled Timestamp Sequence). STS est une sequence d'impulsions generee par cryptographie, inseree dans la trame de ranging. Le recepteur correle avec cette sequence attendue pour valider l'horodatage de front montant sur lequel repose la mesure de temps de vol.
Concretement, STS:
- s'appuie sur du materiel de cle AES-128 partage entre les deux parties du ranging, generalement derive d'une cle de session etablie via un canal hors-bande (appairage BLE, contact NFC, provisioning en fabrication),
- insere un motif d'impulsions par session et par trame qu'un attaquant ne peut pas predire,
- borne la distance reportee par l'echange de ranging, ce qui rend les attaques d'agrandissement et de reduction de distance significativement plus difficiles que sur le HRP 802.15.4a legacy.
La combinaison STS plus profil FiRa qui rend son usage obligatoire est ce qui permet a un constructeur automobile de s'appuyer sur l'UWB pour l'acces vehicule sans exposer la porte aux attaques par relais qui ont mine l'entree passive en RKE et BLE.
FiRa Consortium, profils et certification
Section intitulée « FiRa Consortium, profils et certification »Le FiRa Consortium a ete fonde en 2019 pour definir une pile applicative interoperable au-dessus de 802.15.4z. Les membres fondateurs incluent Bosch, NXP, Samsung, Sony et ASSA ABLOY; la base de membres s'est depuis significativement etendue. FiRa publie des specifications pour le profil MAC, la couche service (FiRa Application Service Layer), le modele de session de ranging securisee et le plan de test, et opere un programme de certification lance en 2023.
FiRa organise sa certification par profil: un profil est un sous-ensemble de fonctions et de parametres obligatoires lies a un cas d'usage.
| Profil | Cas d'usage | Fonctions cles |
|---|---|---|
| Access Control | Entree de batiment, perimetre securise, serrure de porte | STS obligatoire, cycle de ranging court, ancres fixes |
| Mobile (alignement CCC) | Phone-as-a-key, acces vehicule, cle smartphone | Handshake BLE, STS, AoA pour direction, integration CCC Digital Key 3.0 (2021) |
| RTLS | Suivi d'actifs industriel, positionnement indoor, suivi hospitalier | Multi-ancres, positionnement 2D et 3D, AoA, longue autonomie |
| Smart Home | Proximite device-to-device, occupation, presence | STS optionnel, profil basse consommation, integration hub maison |
Un produit FiRa Certified est certifie contre un ou plusieurs profils, jamais dans l'abstrait. La meme puce peut etre FiRa Certified Mobile sans etre encore certifiee RTLS, selon les campagnes de test menees.
Processus de certification
Section intitulée « Processus de certification »Une campagne de certification FiRa passe par un laboratoire autorise FiRa. La soumission regroupe:
- Conformite PHY contre la FiRa PHY Test Specification, batie sur le PHY HRP 802.15.4z.
- Conformite MAC contre la FiRa MAC Test Specification.
- Interoperabilite contre le plan de test FiRa Interop, execute avec des equipements de reference.
- Tests specifiques au profil pour chaque profil declare (Access Control, Mobile, RTLS, Smart Home).
Une fois les rapports emis par le laboratoire et acceptes par FiRa Consortium, le produit recoit la marque FiRa Certified et est liste dans le directory FiRa.
Regimes radio regionaux
Section intitulée « Regimes radio regionaux »Union europeenne, serie ETSI EN 302 065
Section intitulée « Union europeenne, serie ETSI EN 302 065 »Dans l'UE, la conformite radio UWB s'etablit par marquage CE au titre de la RED, avec des normes harmonisees dans la serie ETSI EN 302 065. La serie est decoupee par application:
| Norme | Champ |
|---|---|
| EN 302 065-1 (2016) | Exigences UWB generiques, applicables a tout SRD UWB |
| EN 302 065-2 | UWB pour le suivi de localisation |
| EN 302 065-3 | UWB pour les applications transport et trafic |
| EN 302 065-4 | UWB pour la localisation indoor |
| EN 302 065-5 | UWB pour les applications sensing et presence (PAR) |
Le cadre radio est harmonise par la CEPT/ECC Decision (06)04, qui fixe la PIRE moyenne a -41,3 dBm/MHz principalement sur 6 a 8,5 GHz, avec restrictions de sous-bandes et contrainte de rapport cyclique (typiquement 0,5 pour cent en-dessous de 4 GHz). Un produit UWB cible UE doit demontrer la conformite a la sous-norme -x applicable, pas uniquement a la -1, et declarer son rapport cyclique et son usage indoor ou outdoor en consequence. Pour le cadre radio UE plus large, voir RED.
Etats-Unis, FCC Part 15 Subpart F
Section intitulée « Etats-Unis, FCC Part 15 Subpart F »FCC Part 15 Subpart F, sections 15.503 a 15.525, regit l'emission UWB aux Etats-Unis. Le cadre a ete adopte en 2002 et a fait l'objet de plusieurs amendements. Points cles:
- PIRE moyenne de -41,3 dBm/MHz sur 3,1 a 10,6 GHz,
- limites differentes pour les classes handheld, indoor, vehicular et through-wall imaging,
- une restriction handheld qui impose au produit d'etre tenu en main et eteint en l'absence de transmission,
- une restriction indoor-only pour certaines classes d'equipement, avec des consequences directes sur le positionnement produit (un telephone portable releve d'un regime, une ancre industrielle d'un autre).
Un produit UWB cible US doit se ranger precisement dans une classe d'equipement Part 15 Subpart F; une mauvaise classification se traduit par un refus d'autorisation ou par une contrainte de segmentation de marche. Pour le cadre FCC dans son ensemble, voir FCC.
Japon, ARIB STD-T91 (2008)
Section intitulée « Japon, ARIB STD-T91 (2008) »Le Japon autorise l'UWB sous ARIB STD-T91 (2008), avec des limites proches de celles d'ETSI dans l'esprit mais plus etroites en bande: la region 7,25 a 10,25 GHz est largement ouverte a -41,3 dBm/MHz, tandis que la region 3,4 a 4,8 GHz est plus restreinte et soumise a des techniques de mitigation. Le canal 9 de 802.15.4z est le choix naturel pour un produit cible Japon en plus de l'UE et des US.
Coree, KCC Notice 2014-49 et KS-N
Section intitulée « Coree, KCC Notice 2014-49 et KS-N »La Coree a autorise l'UWB via la KCC Notice 2014-49, et des standards coreens subsequents (serie KS-N) precisent les details d'implementation. Les limites s'alignent globalement sur la PIRE moyenne -41,3 dBm/MHz mais la table d'allocation nationale doit etre verifiee, en particulier pour les canaux 6 et 8.
Tableau comparatif
Section intitulée « Tableau comparatif »| Region | Texte d'autorisation | PIRE moyenne | Restrictions notables |
|---|---|---|---|
| UE | EN 302 065-1 + CEPT/ECC (06)04 | -41,3 dBm/MHz, 6 a 8,5 GHz | Rapport cyclique en-dessous de 4 GHz, sous-normes par application |
| US | FCC Part 15 Subpart F (15.503 a 15.525) | -41,3 dBm/MHz, 3,1 a 10,6 GHz | Classes indoor-only ou handheld |
| Japon | ARIB STD-T91 (2008) | -41,3 dBm/MHz, 7,25 a 10,25 GHz | Plus restrictif a 3,4 a 4,8 GHz |
| Coree | KCC Notice 2014-49, KS-N | -41,3 dBm/MHz aligne globalement | Table nationale a verifier par canal |
CCC Digital Key 3.0 et la couche automobile
Section intitulée « CCC Digital Key 3.0 et la couche automobile »La specification Digital Key 3.0 (2021) du Car Connectivity Consortium a ajoute l'UWB a la cle de voiture numerique. Les Releases 1 et 2 reposaient sur NFC et BLE; la Release 3 superpose l'UWB au BLE pour la verification securisee de distance. Le resultat est une experience d'entree passive: le telephone communique avec le vehicule en BLE, la couche UWB mesure la distance reelle entre le telephone et la porte, et la porte ne se deverrouille que si la distance mesuree tombe dans une enveloppe autorisee.
Pour l'equipe d'ingenierie, CCC Digital Key 3.0:
- exige une integration avec l'appairage BLE de l'enveloppe digital key,
- s'appuie sur le ranging STS defini dans 802.15.4z, avec materiel cryptographique derive de la session digital key,
- impose des budgets de latence et de fausse acceptation specifiques au contexte automobile, bien plus serres que le profil FiRa Access Control generique,
- declenche en general une certification CCC ET une certification FiRa profil Mobile.
Les deux certifications sont alignees mais pas identiques: CCC ajoute des contraintes automobiles par-dessus le profil FiRa, et un OEM impose en general les deux avant d'accepter une puce sur un programme vehicule. Pour le volet appairage BLE qui complete le ranging UWB, voir qualification Bluetooth SIG.
Antennes et AoA, ou se concentrent les echecs
Section intitulée « Antennes et AoA, ou se concentrent les echecs »L'Angle of Arrival UWB repose sur la difference de phase entre deux ou trois antennes espacees d'une distance connue, typiquement une demi-longueur d'onde a la frequence centrale du canal (environ 1,9 cm au canal 9). L'angle reporte est recupere a partir du timestamp et de la phase relative entre antennes.
Le mode de defaillance dominant observe en certification est le desequilibre de phase d'antenne:
- difference de longueur de cable ou de piste PCB entre antennes,
- plan de masse asymetrique autour du reseau d'antennes,
- reseau d'adaptation incoherent entre les deux ou trois frontaux RF,
- placement mecanique qui rapproche une antenne d'un cadre metallique plus que l'autre.
L'un quelconque de ces facteurs introduit un offset de phase qui se traduit directement en erreur d'angle reporte. Quelques degres de desequilibre par GHz, indetectables dans un bilan de liaison classique, produisent plusieurs degres d'erreur AoA, suffisamment pour echouer au plan de test FiRa AoA accuracy.
La mitigation est de la discipline de design mecanique et antenne:
- Layout symetrique du reseau d'antennes, avec longueurs de pistes et reseaux d'adaptation identiques,
- Calibration de phase en fin de ligne, avec donnees de calibration stockees en memoire non volatile,
- Compensation en temperature de la calibration de phase, parce que la phase de l'antenne et du frontal derive avec la temperature,
- Fixations mecaniques qui maintiennent le reseau en position controlee par rapport au chassis du produit.
Le design PCB haute frequence qui supporte de tels layouts demande un routage en impedance controlee du feed differentiel d'antenne et une gestion soigneuse du chemin de retour autour de la fondamentale 6-8 GHz.
Tests de ranging securise
Section intitulée « Tests de ranging securise »Les plans de test FiRa et CCC incluent tous deux des scenarios d'attaquant actif. Le laboratoire ne se contente pas de verifier que deux equipements conformes ranging correctement; il verifie qu'un equipement malveillant ne peut pas manipuler la distance reportee.
Tests typiques de ranging securise:
- attaque par agrandissement de distance avec un repeteur malveillant entre les deux equipements,
- attaque par reduction de distance avec injection de preambule predit,
- confusion de cle STS en alimentant l'equipement avec une trame de cle STS desaccordee,
- ranging hors session pour verifier qu'aucun ranging ne se termine en dehors de la session negociee.
Une observation frequente est qu'une puce passe la conformite PHY, la conformite MAC et l'interop, mais echoue au ranging securise parce que STS n'etait pas active au niveau applicatif, ou parce que la derivation de cle de session etait mal configuree. Le correctif est au niveau integration, pas au niveau puce: l'integrateur doit s'assurer que STS est obligatoire dans la configuration du profil FiRa et que la derivation de cle de session suit la specification FiRa Application Service Layer.
Plan de certification etape par etape
Section intitulée « Plan de certification etape par etape »Pour un produit UWB qui aborde le marche pour la premiere fois, la sequence pratique:
- Figer le cas d'usage et les marches cibles (Access Control, Mobile/CCC, RTLS, Smart Home; UE, US, Japon, Coree).
- Selectionner la puce et le module en fonction de leur statut FiRa Certified declare, de la conformite 802.15.4z et de la couverture canal cible (5 et 9 au minimum, canaux additionnels selon besoin).
- Concevoir le reseau d'antennes pour AoA si necessaire, avec symetrie mecanique et reseau d'adaptation, et planifier la calibration de phase en fin de ligne.
- Developper et figer la couche applicative avec configuration du profil FiRa, STS active, derivation de cle de session alignee sur FiRa Application Service Layer.
- Pre-compliance radio: masque spectral contre EN 302 065-1 (2016) et FCC Part 15 Subpart F (2002 et amendements), avec marge pour la variabilite de production.
- Conformite PHY et MAC dans un laboratoire autorise FiRa.
- Interoperabilite et tests de profil FiRa avec equipements de reference.
- Certification CCC en complement pour les produits automobiles.
- Marquage CE au titre de la RED avec la serie EN 302 065; autorisation FCC sous Part 15 Subpart F; depots ARIB et KCC pour le Japon et la Coree.
- Mise en production avec calibration de phase en fin de ligne, marquage reglementaire, marque FiRa Certified.
- Maintenance: suivre les evolutions des profils FiRa, surveiller les avis de securite sur les implementations STS, gerer l'alignement de release CCC pour les produits automobiles.
Pour les durees end-to-end typiques de chaque phase, voir timeline de certification.
Pieges frequents
Section intitulée « Pieges frequents »| Piege | Consequence |
|---|---|
| Masque spectral depasse apres le PA, meme avec une sortie de puce conforme | Non-conformite EN 302 065-1 ou FCC Part 15 Subpart F au stade organisme notifie ou TCB |
| Erreur AoA au-dela de 5 degres par desequilibre de phase d'antenne | Echec test AoA accuracy FiRa, reprise mecanique necessaire |
| Ranging securise mis en defaut par un outil d'attaque du marche | STS non active ou derivation de cle de session mal configuree, certification de profil refusee |
| Rapport cyclique UE en-dessous de 4 GHz mal compte | Non-conformite EN 302 065-1, marquage CE bloque |
| Restriction FCC indoor-only ignoree sur un produit portable | Autorisation US refusee ou restreinte, refonte ou segmentation marche necessaire |
| Profil CCC non aligne sur le profil FiRa Mobile | Echec d'interop telephone-vehicule, refus OEM |
| Calibration de phase non realisee en fin de ligne | Derive AoA dans la production, retours terrain |
| Un seul canal supporte (uniquement canal 5 ou uniquement canal 9) | Perte de coexistence et de flexibilite regionale |
| Marque FiRa Certified utilisee avant emission de la certification formelle | Usage indu de marque, action d'enforcement FiRa |
Pour aller plus loin
Section intitulée « Pour aller plus loin »- RED: cadre radio UE qui ancre la conformite a la serie EN 302 065
- FCC: cadre US, reference pour Part 15 Subpart F
- Qualification Bluetooth SIG: complete l'UWB sur l'appairage phone-as-a-key
- Timeline de certification: ordres de grandeur transverses par phase
- Glossaire: definitions de UWB, HRP, STS, AoA, FiRa, CCC, RTLS
Voir aussi
Section intitulée « Voir aussi »- MFi (Made for iPhone), certification des accessoires Apple
- Certification accessoires Amazon AVS et Google Cast
- USB-IF: certification USB-C, USB4 et USB Power Delivery
- DECT Forum: certification DECT classique et DECT NR+
Sources & références
- IEEE 802.15.4z-2020, Enhanced Ultra Wideband Physical Layers , IEEE standards.ieee.org/ieee/802.15.4z/7460/
- FiRa Consortium, programme de certification , FiRa Consortium www.firaconsortium.org/discover/certification
- ETSI EN 302 065-1, Short Range Devices using UWB, generic requirements , ETSI www.etsi.org/deliver/etsi_en/302000_302099/30206501/
- FCC Part 15 Subpart F, Ultra-Wideband Operation , FCC www.ecfr.gov/current/title-47/chapter-I/subchapter-A/part-15/subpart-F
- CEPT/ECC Decision (06)04 sur les conditions harmonisees UWB , CEPT/ECC docdb.cept.org/document/734
- Car Connectivity Consortium, Digital Key Release 3 , Car Connectivity Consortium carconnectivity.org/digital-key/
- ARIB STD-T91, Ultra-Wideband Radio Systems , ARIB www.arib.or.jp/english/std_tr/telecommunications/desc/std-t91.html