UWB | Ultra - Wideband
UWB(Ultra-Wideband)とは？
UWBは無線通信技術の一つで、非常に広い周波数帯域幅を使用して、極めて短い時間で非常に強力な信号を送信する技術です。UWBは、位置追跡やレーダーアプリケーションなどで使用される高い精度とデータ転送速度を提供できます。
UWB(Ultra-Wideband)とは？
UWB (Ultra Wideband) は、無線通信用の短距離RF技術で、人、機器、資産の位置を理論的にも優れた精度で感知できます。BluetoothやWi-Fiなどの他の通信プロトコルと同様に、UWBは無線波を通じてデバイス間でデータを転送できます。そのために、短いナノ秒パルスを使用して「ウルトラワイド」範囲の周波数で通信します。 UWB技術は、広い周波数スペクトル（少なくとも500 MHzまたは中心周波数の20％）を横断する10億個の無線パルスをナノ秒ごとにパターンで送信します。この信号は送信機から受信機、または受信機間で送信されます。受信デバイスは入ってくるパターンを分析してデータに変換します。これにより、デバイスは短距離内で迅速にデータを転送できるだけでなく、このUWB信号はデバイスの位置を正確に感知するためにも使用されます。これにより、UWB機能を搭載したデバイス（スマートフォン、センサー、アンカーなど）は、他のスマートフォンや資産追跡タグなどの送信デバイスを正確に特定し、特定のアプリケーションで位置認識通信とサービスを可能にします。 最新のスマートフォンや他の技術で最近採用され、新しい先端技術のように見えるかもしれませんが、UWB技術は数十年間にわたり適用されてきました。長年、その使用は制限されるか、軍事レーダーや通信応用分野で「パルス無線」という名前で主に見られました。2002年にFCCがライセンスなしの使用を承認して以来、UWB技術は革新と発展を繰り返し、革新的な位置ベースの機能を解禁する出発点となりました。
UWB採用の増加
多くの大手メーカーがUWBの多様な可能性を認識し、UWB搭載ソリューションの開発やリリースを開始しました。その中で最も注目すべき企業の一つであるAppleは、iPhone 11の発売とともに新しいU1超広帯域チップを搭載し、UWB技術の実装を開始しました。Samsungなどの他企業もこれに続き、一部の最新スマートフォンやその他のデバイスにUWB技術を導入し始めています。GoogleもAndroidデバイスでUWBを使用するアプリケーションを可能にするAPIの開発に着手しています。 現在では、多様な種類のデバイスに内蔵できるほど十分に小さなハードウェア構成要素を備えた、費用対効果の高い選択肢となっています。NFLでは、選手のリアルタイムの位置と動きを追跡するために超広帯域技術を使用しています。選手のショルダーパッドにUWBチップを装着することで、リーグが試合中の選手の動きを分析できます。NXPとフォルクスワーゲンは、UWBを自動車に使用して、より安全で便利な車両体験を提供する可能性を模索しています。これに伴い、UWB技術開発の先駆者には、UWBアライアンスやFiRAをはじめとするコンソーシアム、および多様なUWBハードウェアベンダーがあります。これらは特定のユースケースに応じて、多様なUWBチップ、アンカー、タグを提供しています。一部の専門家は、UWB技術がまもなくBluetoothやWi-Fiと同じくらい普遍的に使用されるようになり、一部はBLEを代替して短距離通信および位置確認の主要標準として定着すると予測しています。
UWBの特長
多くの大手メーカーがUWBの多様な可能性を認識し、UWB搭載ソリューションの開発やリリースを開始しました。その中で最も注目すべき企業の一つであるAppleは、iPhone 11の発売とともに新しいU1超広帯域チップを搭載し、UWB技術の実装を開始しました。Samsungなどの他企業もこれに続き、一部の最新スマートフォンやその他のデバイスにUWB技術を導入し始めています。GoogleもAndroidデバイスでUWBを使用するアプリケーションを可能にするAPIの開発に着手しています。 現在では、多様な種類のデバイスに内蔵できるほど十分に小さなハードウェア構成要素を備えた、費用対効果の高い選択肢となっています。NFLでは、選手のリアルタイムの位置と動きを追跡するために超広帯域技術を使用しています。選手のショルダーパッドにUWBチップを装着することで、リーグが試合中の選手の動きを分析できます。NXPとフォルクスワーゲンは、UWBを自動車に使用して、より安全で便利な車両体験を提供する可能性を模索しています。これに伴い、UWB技術開発の先駆者には、UWBアライアンスやFiRAをはじめとするコンソーシアム、および多様なUWBハードウェアベンダーがあります。これらは特定のユースケースに応じて、多様なUWBチップ、アンカー、タグを提供しています。一部の専門家は、UWB技術がまもなくBluetoothやWi-Fiと同じくらい普遍的に使用されるようになり、一部はBLEを代替して短距離通信および位置確認の主要標準として定着すると予測しています。
UWBポジショニングの動作方式
UWBはToF（Time of Flight）を通じて位置を決定できます。これは、信号がデバイス間を移動するのにかかる時間を計算することで、送受信機間の距離を正確に測定することを可能にします。一部のシナリオでは、デバイス位置のX、Y、Z座標も感知でき、これによりUWBが提供する位置指定に追加の次元を加えることができます。ユースケースやアプリケーションによって、ToF計算方法が異なる場合があります。 UWB位置測定では、Time Difference of Arrival (TDoA) と Two-Way Ranging (TWR) という2つの基本技術を使用できます。
Time Difference of Arrival (TDoA)
TDoAは、屋内空間全体に固定された位置に配置されたUWBアンカーまたはセンサーを使用します。これらのセンサーは、追跡タグなどのUWBデバイスを感知し、位置を把握します。固定されたアンカーは正確に同期され、同じクロックで動作する必要があります。UWBタグまたは他のデバイスは定期的に信号を送信します。これらの信号は通信範囲内のすべてのアンカーによって受信され、アンカーでタイムスタンプが押されます。その後、すべてのタイムスタンプデータが中央のIPSまたはRTLSに送信されます。 位置エンジンは、各アンカーのデータおよび到着時間差を分析して双曲線を描き、双曲線が交差する点を利用してタグの座標を計算します。この座標は、空間の屋内地図上にデバイスの位置を視覚化したり、特定のアプリケーションに応じて他の用途で活用されたりします。
Two-Way Ranging (TWR)
TWRは、2つのデバイス間の双方向通信を利用して距離を測定する技術です。例えば、スマートフォンのようなデバイスが互いに近くにあるとき、2つのデバイスは互いの距離を測定し始めます。デバイス間で信号が伝達されるのにかかる時間に光の速度を掛けて相対的な位置を決定します。この技術は、しばしば位置認識通信を可能にするために使用されます。 TWRは1つのデバイスと他のデバイスの間の距離を感知するために双方向通信を使用する一方で、これらのデバイス間で決定された位置は特定の応用分野に応じて活用されます。TWRは固定アンカーとUWBデバイス間でも使用できますが、TWRプロセスは一度に一つの測定パートナーのみを使用してデバイスの位置を把握できます。
UWBポジショニングはどのくらい正確ですか？
UWBは、ToFを通じて感知できる高速なナノ秒パルスと、他のRF送信との限られた干渉のおかげで、最適な条件と配置において50cm未満の精度で正確な屋内位置追跡が可能であり、リアルタイムの結果でデバイスの動きや動作も迅速に追跡できます。 他の屋内位置技術と比較したとき、UWBは圧倒的な位置精度を提供します。他の標準は一般的に位置を決定するために受信信号強度指標（RSSI）を活用し、BLE（< 5m）およびWi-Fi（< 10m）のような精度でしか動作できません。一部のUWB技術は方向探知を通じてより正確な位置測定も可能であり、これは受信される信号の角度を測定できるマルチアンテナ装置を必要とします。
UWBの通信範囲はどのくらいですか？
UWBは、デバイスの位置を200メートル以下の範囲で感知できます。しかし、通常は1〜50メートルの短い距離で最も効果的に作動し、デバイスやアンカー間で視界（Line of Sight）が確保された場合に最良の結果を得ることができます。短い距離でUWBは非常に正確で高速かつ安全な通信を提供し、最小限の干渉を維持できます。
UWBは他のポジショニング技術とどう違いますか？
各RF標準には固有の特性と利点があり、個別の要件、予算、施設、および特定の位置ベースのユースケースに応じて適切なオプションになり得ます。UWBと他の技術の間の最も重要な違いは、広い周波数スペクトルと提供できる精度のレベルです。UWBの精度は、絶対位置とリアルタイム移動が重要な資産追跡シナリオなどの高度な屋内位置ベースのユースケースで特に効果的なオプションです。
UWB vs Bluetooth
UWBとBLEは、低電力、低コスト、資産追跡技術の強みなど、多くの共通点を持っています。しかし、UWBはBluetoothよりもはるかに優れた精度を提供できます。これは、UWBのToFによる正確な距離ベースの位置把握方法のためです。BLE位置技術は一般的にRSSIを通じてデバイスを位置特定し、デバイスがビーコンやセンサーに対して強い信号または弱い信号を送信するかによって、かなり低いレベルの精度を提供します。BLEはUWBよりもはるかに短い範囲とデータ速度を持ち、信号干渉に対してより脆弱です。Bluetoothは巨大なエコシステムを備えており、非常に人気のある位置技術の一つです。多くの無線デバイスで使用されており、BLEビーコンのような柔軟なハードウェアオプションを簡単に実装できます。
UWB vs Wi-Fi
Wi-Fiは、デバイスや屋内空間での広範な使用により、屋内位置技術における中心的なRF技術となりました。高度な位置ベースのシナリオでは、Wi-Fiの精度と柔軟性が制限される場合があります。これらの高度な応用分野では高い精度が必要であり、そのためにはUWB技術が優れています。Wi-Fiは距離ではなく信号強度を測定するため、UWBに比べて精度が落ち、さらに干渉の影響を受けやすいです。一方、UWBは強力な耐性を持つため、干渉に関する問題が少ないです。また、UWBは少ない電力を必要とするため、コインセルバッテリーで駆動される資産追跡タグのような有用で安価なツールを作ることができます。しかし、Wi-Fiをサポートする多様なデバイスやアクセスポイントなどの既存インフラを活用できる利点があるため、高い精度が必要ない場合には非常に重要な屋内位置技術になります。
UWBで実現する ORBROソリューション
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