超広帯域 - 未来のリーダー

主流のワイヤレステクノロジーにはどのようなものがありますか?

無線通信は、1887年にハインリッヒ・ヘルツが電気から無線信号を生成し、火花ギャップと太い銅線を使用して受信する方法を実証して以来、電気の分野における最も重要な発展の1つです。現代の無線通信システムは、高度な回路を備え、少量のエネルギーで高速データ転送を可能にする非常に高度なシステムです。

おそらく、現在最も有名な無線通信方法は、Wireless Fidelity (Wi-Fi) です。家庭、オフィス、工業現場で見られます。Wi-Fiは、優れたカバレッジと複数のデバイスのサポートを提供しながら、高いデータレートを実現します。

携帯電話は次に大きな無線通信システムです。ハンドヘルド モバイル デバイスで電話をかけたり、インターネットにアクセスしたりできるようになります。セルラー ネットワークは、Wi-Fiよりもはるかに多くのデバイスをサポートできるだけでなく、範囲も広くなります。

Bluetooth は、エネルギーと利便性に重点を置いたワイヤレス テクノロジーです。Wi-Fiや携帯電話ネットワークとは異なり、Bluetoothはデータ転送速度が低く、範囲も非常に狭い (数メートル) ですが、使用するエネルギーは極めてわずかです。これは、充電せずに長時間接続したままにできるため、バッテリーを搭載したポータブル デバイスに最適です。

近距離無線通信は、広く使用されている最短距離の通信方法です。数センチメートルという狭い範囲の検出は、非接触での入場を必要とするセキュリティ システムや、パスコードの使用を必要としない支払い方法に役立ちます。

現代のアプリケーションにおいて、無線通信システムはどのような課題に直面しているのでしょうか?

過去20年間、ケーブルが不要になることで得られる利便性により、電子機器は有線デバイスから無線デバイスへと移行してきました。ケーブルをなくしたいという要望が非常に高まったため、現在市場に出回っている電子機器の中にはワイヤレス充電機能を備えたものもあります。

しかし、ケーブルがないため、デバイスは動作するためにエネルギーを蓄える必要があり、このエネルギーはほとんどの場合バッテリーから供給されます。ワイヤレス通信は極めて多くのエネルギーを消費するため、ワイヤレス システムを実装しようとするエンジニアにとって、バッテリーへの依存が問題となります。

数メートル以内でのみ通信する必要があるデバイスでは、エネルギーを非常に節約できるBluetoothを利用できます。ただし、大量の情報を送信したり、長距離通信を行う必要があるデバイスでは、バッテリーを急速に消耗する可能性のあるWi-Fiなどのテクノロジを使用する必要があります。画面、プロセッサ、ユーザーI/Oに電力を供給するためにもバッテリーが必要なので、これも問題になります。

資産追跡などの機能もますます人気が高まっていますが、現在のワイヤレス技術では確実に実装することはできません。GPS はすべてのデバイスで利用できるわけではありませんが、利用できる場合でも、GPSの精度は一般的に5メートルから30センチメートル程度であるため、屋内での追跡にはまったく使用できません。Wi-Fiでは約5メートルの精度しか提供できませんが、Bluetoothでは3メートルの精度を提供できます。屋内でデバイスをリアルタイムに追跡する機能を必要とする将来のアプリケーションでは、はるかに高い精度 (10 cm未満) が必要になります。

超広帯域とは何ですか?

超広帯域は、他の無線通信技術と比較して広い周波数帯域を使用して情報を送信する無線通信技術です。

最も一般的な無線技術は、情報を伝達するために搬送信号を変調します。この変調は、搬送波の振幅、搬送波の周波数、または搬送波の位相のいずれかになります。これらの情報伝達方法は、一般的に周波数範囲（帯域幅）が狭いため、無線電力の大部分が特定の周波数で発生します。Wi-Fiの場合、無線帯域幅は20 MHz ～ 40 MHzで、中心は2.4 GHzまたは5 GHzです。

ただし、UWBはギガヘルツ範囲の非常に広い帯域幅を使用するため、この周波数範囲では複数の無線技術 (Wi-Fiなど) を干渉することなく簡単に含めることができます。

UWBの複雑さに立ち入ることなく、UWBによって送信される信号がスペクトル全体にわたってノイズフロアよりも低いため、これを実現できます。これは、UWBがバックグラウンド ノイズ レベル以下の電波を送信するという意味ではなく、UWBによって単位時間あたりに送信されるエネルギー量が、国際規格で定義されたノイズ フロア制限よりも低いことを意味します。これは、スタジアムで1分間に1回大きな拍手を送るのと同じことだと考えられます。個々の拍手は非常に大きいですが、1分あたりの平均騒音はほとんど静かです。

UWBは、広範囲の周波数にわたって個々の無線エネルギーのブリップを発射します。その波は通常、1つのサイクルです。UWBが魅力的なのは、単一のエネルギーの瞬きが生成されることにより、送信機が広いスペクトルにわたって放射する点です (方形波が高調波を生成するのと同じように)。

毎秒数百万、あるいは数十億のブリップがUWB経由で送信され、これらのブリップはUWB受信機がUWB信号を分離できるように均等に間隔が空けられています。さらに、他の受信技術 (UWB以外) では、周波数変調がないか、無線エネルギーが非常に低いか、位相シフトが狭すぎるため、UWB信号は当然無視されます。

要約すると、UWBは、通常の受信機には個別にノイズのように見える、広いスペクトルにわたって小さな無線エネルギーのブリップを送信します。これらのエネルギーのブリップは、UWB受信機で復元できるように均等に配置されており、UWB信号の平均エネルギーは標準通信のノイズフロアを下回ります。

UWBの利点は何ですか?

UWBは既存の技術と比較して多くの利点があり、低コストのフェーズドアレイアンテナの開発により、その導入がさらに拡大しました。ただし、UWB技術は既存の技術を補助するのに最適であり、他の技術を完全に置き換えるようには設計されていないことに注意してください。

UWBの最初の大きな利点は、エネルギー消費量が極めて少ないことです。Wi-Fiや携帯電話などの他のテクノロジーでは、長距離でのキャリア信号の使用が必要であり、非常に多くのエネルギーを消費します。搬送波によって使用されるエネルギーを削減することがBluetoothの本質的な目的ですが、これには範囲とデータ転送速度の犠牲が伴います。無線エネルギーの小さなブリップを使用すると、瞬間的なエネルギー使用量を削減するのに役立ちます。一方、広いスペクトルを使用すると、エネルギーをより効率的に使用できます (狭帯域信号は帯域幅外のエネルギーを無駄にすることに留意してください)。

UWBの2番目の大きな利点は範囲です。周波数によっては、壁、ドア、木などの障害物によって無線通信が遮断されることがあります。単一周波数の搬送波を使用するということは、その周波数で信号をブロックする障害物があると、信号が著しく劣化することを意味します (すべての卵を1つのバスケットに入れるようなものです)。

しかし、UWBは幅広い周波数スペクトルを使用しており、そのすべてが異なる動作をし、異なる経路をとります。その結果、特定の周波数をブロックできる障害物は、UWBで使用される他のすべての周波数をブロックできなくなります。そのため、UWB信号は障害物の回避に非常に優れており、壁を通過することができます。

UWBの3番目の大きな利点は、広い周波数範囲と無線ブリップを組み合わせることで、UWBデバイスを正確に配置できる高度なレーダーのような機能を実現できることです。Wi-FiやBluetoothなどの無線技術では数メートルの位置精度を提供できますが、UWBでは10 cmの精度で提供できます。これにより、UWBは資産追跡を必要とするアプリケーションで使用でき、同時にデバイス通信も提供できます。

UWBはどのようなアプリケーションで使用できますか?

UWBの利点を考慮すると、UWBは低エネルギー、長距離、追跡機能を必要とするアプリケーションに最適であることは明らかです。UWBは高データレートに使用できますが、大容量データ転送用に特別に設計された携帯電話やWi-Fiなどのテクノロジーと競合する可能性は低いです。

UWBに非常に適したアプリケーションの1つはIoTデバイスです。テクノロジーが進歩するにつれて、IoTデバイスのサイズは間違いなく小型化していきます。小型であることとリモート操作の必要性を組み合わせると、UWBは最適な候補になります。UWBの低エネルギー要件により、IoTデバイスは再充電せずに長時間動作することができ、またUWBの長距離機能によりIoTデバイスを広いエリアに分散させることができます。

UWBは、資産追跡を必要とするアプリケーションにも最適です。UWBはすでにApple Airtagなどの資産追跡製品で使用されており、UWBの能力が証明されています。資産追跡は、位置情報を把握する必要があるインターネット接続デバイスが数百、あるいは数千台存在する将来の産業現場でも非常に重要になるでしょう。たとえば、ある倉庫から別の倉庫に商品を移動する自動貨物車両は、他のデバイスに対するリアルタイムの位置測定にUWBを利用できます。

UWBは、UWBの追跡機能を活用して車両が周囲の状況をよりよく認識できるようにすることで、自動車分野でも大きな可能性を秘めています。UWBシステムを搭載した複数の車両は、速度、位置、加速度について相互に通信できるようになり、これにより、衝突の予防検出などの高度な安全機能が実現される可能性があります。

車両でのUWBの使用は、UWBデバイスを装着した歩行者にもメリットをもたらします。道路を高速で走行する車は、歩行者が交通に割り込んできたかどうかを検知し、歩行者に後退するよう通知するか、制御された方法でブレーキをかけることができます。

結論

UWBは、Wi-FiやBluetoothなどの主流の方法とは根本的に異なる通信方法です。広いスペクトルにわたる無線パルスを使用することで、UWBは他のテクノロジーと同時に動作することが可能になり、広いスペクトルを使用することで、正確な追跡などの高度な機能が可能になります。さらに、定められた間隔で無線ブリップを使用すると、高いデータレートを維持しながらエネルギー使用量を削減できます。また、大きなブリップ（時間は短いものの）を使用すると、最大50メートル（Wi-Fiと同等）までの通信が可能になります。

使用されている各テクノロジーにはそれぞれ独自の利点があるため、UWBは他のテクノロジーに取って代わったり競合したりすることはありません。しかし、将来のIoTおよびIIoTアプリケーションにおいて主要な役割を果たすことは間違いありません。また、自動車環境でも役立つ可能性があります。