UWB: 機能とアプリケーションの展望

超広帯域テクノロジ ( UWB)は、デジタル メディアの注目を集めたり、トップ企業の主力製品と関連して言及されることがますます増えています。それにもかかわらず、依然として従来の無線技術の中では弱者であり、メディア露出の不足に悩まされています。

したがって、この記事はこの不公平を解決することを目的としています。これは、簡単な歴史的観点、一般原理、方法、応用分野、使用例の説明を含み、機能と観点を分析するレビューです。

コンテンツの概要

• UWB技術について
• 開発の歴史
• UWBテクノロジーの長所と短所
• UWB ローカリゼーション方法
• アプリケーションとユースケース
• 結論

UWB技術について

UWB は、超広帯域の搬送波信号を使用し、極めて低い消費電力で短距離にデータを送信できる無線通信技術です。

によるとITU無線通信部門:

UWB 通信の主な方法は、それぞれの持続時間が約 1 ナノ秒の一連の短いパルスの送信です。また、パルスが短いほどそのスペクトルが広いため、そのようなパルスは（狭帯域通信と比較して）はるかに大きな帯域幅を必要とします。したがって、「超広帯域」という用語が生まれます。

もう 1 つの特徴は、信号レベルが非常に低く、ラジオ ノイズの強度に近いことです。このため、UWB は干渉を引き起こすことなく、他のより伝統的な無線通信技術と共存できます。

開発の歴史

信号をパルス送信する方法は、19 世紀の 80 年代の終わりに知られていました。当時、ハインリッヒ・ヘルツが電磁波の存在を証明しようとしていた火花発信器の改良版は、世界各地で広く使用されていました。船舶と沿岸局間の無線通信の組織化。

その後、第二次世界大戦中に、パルス無線技術が多数の軍用レーダーに使用されました。 1950 年代、ソ連の科学者は電力システムを改善しようとして、この分野で広範な研究を開始しました。彼らはいた超短パルスが物体に関するより多くの情報を送信できることを最初に理解した人、ただし、適用範囲は依然として主に軍事でした。

1970 年代に、UWB ベースのレーダー システムは、地上スキャン、建物、測位、衝突警告、液面検出、侵入者検出、およびモバイル レーダー ステーションなどの民間用途に使用され始めました。

ロスの米国特許 3,728,632 1973 年 4 月 17 日付けのこの文書は、技術開発におけるマイルストーンと考えられており、UWB の主要な利点の 1 つである干渉なしで共通の標準と共存できることを強調しています。

2002 年、ビジネス上の関心の高まりにより、米国連邦通信委員会 (FCC) は 3.1 ～ 10.6 GHz の無線スペクトルの規制された商業利用を承認しました。

2003 年に、欧州電気通信標準協会 (ETSI) は、低速無線パーソナル エリア ネットワーク (LR-WPAN) の物理層 (PHY) とメディア アクセス コントロール (MAC) 層を定義する IEEE 802.15.4 標準を発行しました。この規格のセキュリティを重視した拡張機能が 2020 年に 802.15.4z に導入され、物理層 PHY CSS (2450 MHz の線形周波数変調) が導入され、双方向測距方法が定義され、置換暗号が追加されました。

UWB がより幅広いエンドユーザーに知られるようになったのは、数年前の 2019 年で、Apple や Samsung などの世界的に有名な企業がこのテクノロジーに基づく機能を自社のコンシューマ セグメントのデバイスに導入し始めました。

UWBテクノロジーの長所と短所

UWB の主な利点の1つは、マルチパス効果タイミング分解能が高く、波長が短いためです。これが、このテクノロジーが距離測定と追跡に非常に優れている理由です。UWB は、そのようなタスクにおいて Wi-Fi や Bluetooth Low Energy よりも 100 倍正確であり、数メートルではなく数センチメートル以内の精度を提供します。

UWB を使用すると、周波数選択性に対する高い回復力が得られます。色褪せBluetooth や Wi-Fi と比較した場合。これにより、他の標準と競合することなく、同じ環境に複数の UWB ベースのシステムを展開することが可能になります。

UWB は遅延が極めて低いため、ドローンなどの高速移動物体をリアルタイムで自動測位するシステムの理想的な候補となります。

もう 1 つの重要な利点は、生成されるパルスの低電力による高度なデータ保護です。最新のIEEE 802.15.04z-2020この変更により、回線周波数変調の新しい物理層が導入され、スクランブルされたタイムスタンプや置換暗号などの暗号化技術が追加され、データのセキュリティが強化されました。

UWB のその他の利点は次のとおりです。

• 無線スペクトルの利用に制限はありません。
• 数百のチャンネルを同時にサポート。
• 幅広いデータレート: 周波数に応じて 4 Mbit/s ～ 675 Mbit/s 以上。
• 数十のトポロジーの固有のサポート。
• スペクトルの柔軟な使用。
• 超低消費電力: 2 mW @ 1 Mbps、6 μW @ 1 kbps。
• 低チップコスト: 大量生産の場合は約 2 ～ 5 米ドル。

しかし、もちろん、すべてがそれほどスムーズではありません...

短いパルス長と超広帯域スペクトルのため、 UWB のスループットは距離が増すにつれて (狭帯域伝送と比較して) 大幅に低下します。

理論的には、信号の広帯域幅と高出力（後者が規制によって制限されていない場合）は、既存のシステムや通信回線に干渉する可能性があります。

さらに、多くの国でスペクトルが利用可能です( 12か国、そのほとんどは旧ソ連にあります）は、国家機関と治安機関によって制限されています。たとえばロシアでは、AirTags トラッカーは当初考えられていた UWB の代わりに Bluetooth を使用することを余儀なくされています。

UWB ローカリゼーション方法

このテクノロジーがその重要な利点の 1 つである超高精度の距離測定をどのように実現しているかを見てみましょう。

双方向測距 (TWR)

UWB は、他の規格で使用されているRSSI (受信信号強度インジケーター)ではなく、ToF (Time-of-Flight) (「要求と応答」パケットを配信する時間) を使用してデバイス間の距離を測定します。

この方法では、ToF を決定し、それに光速を乗算することで、タグとアンカーの間の距離を計算します。

より複雑な両面双方向レンジング (DS-TWR) は、クロック オフセット エラーを暗黙的に補正しますが、より多くのデータ パケットが必要となり、その結果、より多くの電力を消費します。

ToF =1/2*(T1'T2'-T1T2)/(T1'+T2'+T1+T2)

到着時差 (TDoA)

もちろん、単一のアンカーを使用した ToF 測定ではタグの位置はわかりませんが、いくつかの外部アンカーの助けを借りて、UWB は特定の領域内の空間におけるタグの 2 次元および 3 次元の位置を決定できます。同時にアンカーとの間でタグパケットの交換を行い、パケットの受信時刻の差分を計算する。

受信側に応じて、次の 2 つのトポロジが認識されます。

• タグ側到着時間差(TS-TDoA) 、たとえば GPS など。
• アンカー側到着時間差 (AS-TDoA) 。

到着位相差 (PDoA)

ToF 計算では距離のみが決定され、方向は決定されないことに注意してください。到着位相差 (PDoA)方式は、この問題と追加のインフラストラクチャの構成に関する問題を解決します。これは、少なくとも 1 つのデバイス上の 2 つのアンテナを使用して行われます。アンテナで受信した信号の位相差により、信号の到来角度 (到来角度、AoA) を計算できます。

アプリケーションとユースケース

UWB テクノロジーのアプリケーションのほとんどは、そのきめ細かいセキュリティ機能、またはその両方の組み合わせを利用します。この技術は、長い間、主に軍事および産業目的で魅力的でしたが、最近では、ウェアラブル、スマートフォン、スマート インフラストラクチャなどの家庭用電化製品の最新技術により、新たな実装が見出されています。

精密な測距機能

UWB を使用すると、あらゆる種類のオブジェクトの数センチメートル以内のピンポイント位置が現実になります。

ヘルスケアでは、UWB は人々が病院で必要なサービスを見つけられるように支援し、患者の医療記録などの近接ベースのデータをスタッフに提供し、介護者が患者の位置を特定できるようにします。医療資産の追跡は、小物や除細動器などの高価で重要な機器を素早く検索する場合にも便利です。

UWB レーダーの特性は、心拍数や呼吸数などの重要なパラメーターの遠隔測定に使用され、存在検出、ベビーモニター、医療アプリケーション、転倒検出などのスマート ビルディングにも応用されています。

この技術は、ショッピング モール、病院、駐車場、生産現場など、さまざまな種類の施設内での誘導が必要な屋内ナビゲーションに非常に幅広い用途があります。

UWBは、緊急避難時に現場に残っている人を追跡して追跡することで使用できます。

ソーシャル・ディスタンシングは、パンデミック期間において最も関連性の高い問題の 1 つです。 UWB 対応のバッジとリストバンドは、10 cm 未満の精度で近づくと警告し、安全地帯を侵害すると警告します。

UWB を使用すると、ツールと機器の追跡を通じて生産プロセスをデジタル化および最適化できるため、品目の使用率が向上し、時間を節約できます。 UWBのTWR方式を活用した衝突検知システムで生産現場の安全性を高めます。

そしてもちろん、すでに広く知られているUWB タグをキーホルダーやバックパックに取り付け、スマートフォンと組み合わせることで、重要な個人アイテムを見つける時間を節約できます。

アクセス制御とパッシブキーレスエントリー

UWB は、Time-of-Flight 計算により測距の高精度と送信データのセキュリティを保証し、到来角 (AoA) の計算により移動方向の定義を可能にします。したがって、UWB 対応デバイスは、ユーザーが施錠されたドアに近づいているのか、それとも離れようとしているのかを理解し、それがドアのどちら側で起こっているかを判断できます。

アクセス制御の場合、UWB は他のプロトコル (最も一般的には Bluetooth) と組み合わせて使用されます。 Bluetooth は測距の開始とデータ転送に使用されますが、UWB は測距を直接担当します。

IEEE 802.15.4z に追加され、暗号化保護に関連する新しい物理層 (PHY) は、 MITM攻撃。これにより、アパートやガレージドアのスマートロック、生産現場の物理的なアクセス制御システム、レンタルサービス、車両のデジタルキーなど、膨大な数の可能性が開かれます。

2022 年の初めに、サムスンは Zigbang と協力して、 「スマートドアロック」 。このロックを解除するには、スマートフォンをポケットから取り出す必要さえありません。

2021 年 1 月に、Apple UWBベースのデジタルカーキー機能を発表そしてApple Watchユーザー向けに、より幅広いデジタルキーとデジタルIDのオプションをiOS 15とwatchOS 8に追加することを確認した。 Google の Pixel 6 Pro と Pixel 7 Pro は、UWB デジタル キーと、あるデバイスから別のデバイスに至近距離でファイルを転送できる Android の「ニアバイ シェア」機能もサポートしています。

フォルクスワーゲンと 世界最大のチップメーカー、NXPチャイルドシートの存在の認識と対応するエアバッグの無効化、テールドアのジェスチャー制御、自動検出、トレーラーと連結するためのヒッチの抽出などの拡張機能を提供することで対応します。

リフレッシュされたBMW X5およびX6は、ネイティブ アプリを通じてさらに最大5人で共有できるUWBデジタル キー機能をサポートします。

UWB デバイスは、特定の領域の周囲にいわゆる「セキュリティ バブル」を形成することができ、特に個人のデバイスのロックを自動的に解除するために使用されます。このような「バブル」がどのように機能するかを示すデモを含むいくつかのビデオ:

このテクノロジーは、さまざまなWBAN アプリケーションで使用できます。健康監視では、心電図 (ECG)、酸素飽和度センサー (SpO2)、筋電図検査 (EMG) などの UWB センサーのネットワークを使用して、プロアクティブでスマートなヘルスケア システムを開発できます。

マルチメディア、拡張現実、仮想現実

UWB は、遅延値が低い (コーデック使用時のストリーミング オーディオの場合は 5 ～ 10 ミリ秒、非圧縮オーディオの場合は最大 2 ミリ秒)ため、ストリーミング ビデオおよびオーディオ データ、VR および AR、およびさまざまなタイプのコントローラーでの使用に魅力的です。

UWB デバイスは、スマート リテールおよびスマート ホーム システムで使用される近接性と方向性に基づいてコンテキスト エクスペリエンスを作成できます。

Googleの Apple HomePod、HomePod mini、および Nest スピーカーは、スマートフォンで再生されている音楽、ポッドキャスト、または進行中の電話での会話を、スピーカーに近づくと即座に拾うことができます (Apple の「ハンドオフ」機能)。

スマート ホーム デバイスの良い例としては、次のようなものがあります。セブンハグス スマート リモート X 。 2016 年にリリースされたこの製品は、残念ながら時代を先取りしていました。このセットには、リモコンとその向きを定義するためのアンカーが含まれており、リモコンが指すデバイスのコンテキスト メニューが呼び出されます。主な欠点は、開始価格が 399 ドルという法外な価格であったことです。

UWB を備えた存在検出器は、オフィスビルの専門的な照明システムで使用できます。動きが検出されたときに照明をオンにすることで電力を節約でき、UWB センサーの高感度により、コンピューターや電話に向かって静かに座っている人のわずかな動きも検出し、必要なエリアの照明を維持できます。

ターゲットを絞ったマーケティングでは、顧客の移動ルートや好みに基づいて個別のオファーを提供します。企業は、客足や買い物行動の分析から恩恵を受けることができます。

自動車

自動車に関する複数のケースには次のようなものがあります。

• 無人バレーパーキングとピックアップ: ドライバーが適切な場所に車を置くと、車は自動的に場所を見つけて駐車します。その後、ドライバーはスマートフォンのアプリを介して車に電話をかけ、希望の場所でサービスを受けることができます。
• V2X * (車輛間通信) と自動運転;
• 前述のデジタルカーキーやさまざまな便利機能。
• C2X通信（自動車向けソーシャルネットワーク）は、車両と交通インフラ要素間の通信を通じて事故を大幅に減少させる可能性があります。

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UWB テクノロジーを使用した「フォローミー」機能と衝突防止機能は、どういうわけか驚くべきことに Airwheel SR5 スマート スーツケースに適用され、所有者の手を解放し、「パパ」の後を追い、障害物を避ける「良い子」のように行動します。

また、UWB は超小型飛行機 (MAV) アプリケーションの主要な技術候補です。

結論

UWB 標準には明るい未来が待っていると言っても過言ではありません。数多くの b2b の使用例に加えて、Bluetooth や NFC のようなものがすぐに標準のスマートフォン インターフェイスの 1 つになる可能性が高いです。 。

UWB市場のCAGRは2026年までに16.06%で31億2,900万米ドルになると予測されており、 2021年に「Research and Markets」が報告したとおりUWB が標準インターフェイスの 1 つになった場合、3 倍とは言わないまでも 2 倍になる可能性があります。UWB はすでに主力スマートフォンに搭載されており、間もなくミッドレンジに普及する可能性があります。

で別のものではありません、私たちは UWB の開発を注意深く観察しており、RTLS などの典型的なユースケースだけでなく、オーディオ ストリーミングなどのメディアのよりまれな実装を含む、UWB を活用した数多くのプロジェクトに参加してきました。製品のニーズについて喜んでご相談させていただきます。