超広帯域 - 未来のリーダー

主流のワイヤレス技術にはどのようなものがありますか？ 

無線通信は、電気の分野で最も重要な発展の1つで、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、それをスパークギャップと大型の銅線を使って受信する方法を実証したことに遡ります。現代の無線通信システムは非常に高度で、エネルギーを少量しか使用しないまま、高速データ転送を可能にする高度な回路を備えています。   これまででおそらく最も有名な無線通信方式は、Wireless Fidelity（Wi-Fi）です。これは家庭、オフィス、産業現場で見られます。Wi-Fiは、高いデータ転送レートを提供しながら、良好なカバレッジと複数のデバイスへのサポートを可能にします。   セルラーは、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による電話の通話およびインターネット接続を可能にします。セルラーネットワークは、Wi-Fiよりも多くのデバイスをサポートできると同時に、より広い範囲を持っています。   Bluetooth は、エネルギー効率と利便性に重点を置いた無線技術です。Wi-Fiやセルラーネットワークとは異なり、Bluetoothはデータ転送速度が低く、範囲も非常に短い（数メートル）ですが、極めて少量のエネルギーを使用します。これは、長期間充電せずに接続を維持できるバッテリー搭載の携帯デバイスに理想的です。   近距離無線通信は、広く使用されている中で最短距離の通信方式です。数センチメートルの範囲は、非接触での入室を必要とするセキュリティシステムや、パスコードを使用しない支払い方法において便利です。

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年間で、電子機器は有線デバイスから無線デバイスへと進化してきました。これは、ケーブルがないことによる利便性によるものです。ケーブルを排除したいという欲求は非常に強くなり、市場の一部の電子機器では現在、ワイヤレス充電を提供しています。
 
しかし、ケーブル がないということは、デバイスが動作するためにエネルギーを蓄える必要があり、そのエネルギーはほぼ常にバッテリーに依存していることを意味します。無線システムを実装しようとするときに、エンジニアに問題を引き起こすのは、このバッテリーへの依存です。なぜなら、無線通信は非常にエネルギーを消費する可能性があるからです。
 
数メートルの範囲で通信を行う必要があるデバイスは、非常に省エネであるBluetoothを利用できます。しかし、より大量の情報を送信する必要がある、またはより長い距離で通信する必要があるデバイスは、Wi-Fiのような技術を使用する必要があります。これらはバッテリーを迅速に消耗させる可能性があります。この問題はさらに、バッテリーが画面、プロセッサ 、およびユーザーI/Oの電源供給にも必要とされるために生じます。
 
アセットトラッキングのような機能もますます人気が高まっていますが、現在の無線技術では信頼性のある実装ができません。GPS はすべてのデバイスで利用可能ではなく、たとえ利用可能であっても、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り、屋内トラッキングには全く使い物になりません。Wi-Fiは最大5メートルの精度しか提供できず、Bluetoothは約3メートルの精度を提供します。屋内でリアルタイムにデバイスを追跡する必要がある将来のアプリケーションでは、より高精度（10センチメートル未満）が必要になります。

ウルトラワイドバンドとは何ですか？

超広帯域は、情報を送信するために他のワイヤレス通信技術と比べて広い周波数帯域を利用するワイヤレス通信技術です。
 
ほとんどの一般的なワイヤレス技術は、キャリア信号を変調することで情報を伝達します。この変調は、キャリア波の振幅、キャリア波の周波数、またはキャリア波の位相のいずれかを用います。これらの情報伝達方法は一般的に狭い周波数範囲（つまり帯域幅）を持っており、ほとんどの無線電力が特定の周波数に集中しています。Wi-Fiの場合、無線帯域幅は20 MHzから40 MHzで、2.4 GHzまたは5 GHzを中心周波数として使用します。
 
一方、UWB（Ultra-Wideband）は非常に広い帯域幅を使用し、その範囲はギガヘルツ帯域に及ぶことがあります。この周波数範囲はWi-Fiなどの複数の無線技術を含むことが可能であり、それらと干渉することはありません。
 
UWBの複雑な詳細に踏み込まずに説明すると、UWBがこれを実現できるのは、UWBが送信する信号がスペクトル全体のノイズフロア以下であるためです。これは、UWBが背景ノイズレベル以下の無線波を送信するという意味ではなく、国際規格で定義されたノイズフロアの制限よりも、UWBが単位時間あたりに送信するエネルギー量が低いということです。例えると、スタジアムで1分ごとに1回だけ非常に大きな拍手をするようなものです。個々の拍手は非常に大きいものの、1分当たりの平均ノイズはほとんど無音に近い状態になります。
 
UWBは、通常1サイクルの波である個々の無線エネルギーのブリップを、広い周波数範囲で発射します。UWBの興味深い点は、1つのエネルギーブリップを生成すると、送信機が広いスペクトルにわたる信号を発することです（これは、矩形波がハーモニクスを生成するのと同様です）。
 
これらのブリップは毎秒何百万回、または場合によっては何十億回もUWB経由で送信され、これらのブリップは均等に間隔を空けているため、UWB受信機がUWB信号を分離できます。さらに、他の受信技術（非UWB）は、周波数変調がない、無線エネルギーが非常に低い、または位相変位が狭すぎることにより、自然とUWB信号を無視します。
 
要約すると、UWBは広いスペクトルにわたって正常な受信機にはノイズのように見える小さなブリップの無線エネルギーを送信します。これらのエネルギーブリップは均等に間隔が空けられており、UWB受信機によって回収されることができます。また、UWB信号の平均エネルギーは標準通信のノイズフロア以下になります。

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ってその実装がさらに促進されています。しかし、UWB は技術として既存の技術を補助するのに理想的であり、他の技術を完全に置き換えることを目的としていないことを述べておく必要があります。
 
UWB の最初の大きな利点は、エネルギー使用量が非常に少ないことです。Wi-Fi やセルラーのような他の技術は長距離でのキャリア信号の使用を必要とし、これは非常に多くのエネルギーを消費します。キャリア波に使用されるエネルギーを削減することは、Bluetooth が本質的に行っていることですが、これには通信距離とデータ転送速度に制限を生じさせます。ごく短いラジオエネルギーのパルスを使用することで瞬時のエネルギー使用を削減しながら、広い周波数スペクトルを使用することでエネルギーをより効率的に利用することができます（狭帯域信号では、帯域幅外のエネルギーが無駄になることを念頭に置いてください）。
 
UWB の二つ目の大きな利点は通信距離です。周波数によっては、壁、ドア、木々のような障害物によってラジオ通信が遮られることがあります。単一周波数のキャリア波を使用する場合、その周波数で信号を遮断できる障害物があると、信号が著しく劣化します（例えるなら、すべての卵を一つのバスケットに入れるようなものです）。
 
しかしながら、UWB は異なる方法で動作し、異なる経路を取る広範な周波数スペクトルを使用します。結果として、特定の周波数を遮ることができる障害物でも、UWB で使用される他のすべての周波数を遮ることはできません。このため、UWB 信号は障害物を回避するのが非常に得意で、壁を通り抜けることができます。
 
UWB の三つ目の大きな利点は、広範な周波数範囲の使用とラジオパルスによるレーダーのような高度な機能です。これにより、UWB デバイスは正確に位置を特定することができます。Wi-Fi や Bluetooth のようなラジオ技術が数メートル程度の位置精度を提供するのに対して、UWB では 10 cm の精度でこれを実現することができます。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されながら、デバイス間の通信も同時に提供することが可能です。

超広帯域技術とその応用

UWBの利点を考慮すると、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UWBが理想的であることは明らかです。UWBは高データレートにも使用できますが、大量のデータ転送に特化したセルラーやWi-Fiのような技術と競争することはないでしょう。
 
UWBが非常に適しているアプリケーションの一つはIoTデバイスです。技術が進歩し続けるにつれて、IoTデバイスは間違いなく小型化が進むでしょう。この小型化と遠隔操作の必要性を組み合わせると、UWBは完璧な候補になります。UWBの低エネルギー消費は、IoTデバイスが長期間充電なしで動作することを可能にし、UWBの長距離能力は、IoTデバイスが広いエリアに分散して使用されることを可能にします。
 
また、UWBは資産追跡を必要とするアプリケーションにも理想的です。Apple Airtagのような資産追跡製品の一部でUWBがすでに使用されており、UWBの能力が実証されています。資産追跡は、インターネット接続されたデバイスが数百、または数千に及ぶ未来の産業サイトで、その位置を把握することが重要になるでしょう。例えば、商品を倉庫間で移動させる自動化された輸送車両は、他のデバイスとのリアルタイム位置確認のためにUWBを利用できます。
 
UWBはまた、自動車分野においても追跡機能を活用して、車両が周囲をより把握できるようにすることで本格的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、それぞれの速度、位置、加速度を通信し合うことができ、衝突予防検知などの高度な安全機能を実現する可能性があります。
 
車両におけるUWBの利用は、UWBデバイスを装着した歩行者にも利益をもたらす可能性があります。道路を高速で走る車両が、歩行者が交通に侵入した場合にそれを検知し、歩行者に戻るよう警告するか、制御された方法でブレーキをかけることができるでしょう。

UWB技術の未来

UWBは、Wi-FiやBluetoothのような主流の通信方法と比較して、根本的に異なる通信方法です。広いスペクトラムを使用してラジオパルスを送信することで、UWBは他の技術と同時に動作できるほか、広いスペクトラムを活用することで正確な追跡などの高度な機能を実現します。さらに、一定間隔でのラジオブリップの使用により、高データレートを維持しつつエネルギー消費を削減し、短時間ではありますが大きなブリップの使用により最大50メートル（Wi-Fiに匹敵する距離）まで通信を可能にします。
 
UWBは他の技術を置き換えたり競争するものではありません。各技術にはそれぞれ固有の利点があります。ただし、UWBは将来のIoTおよびIIoTアプリケーションにおいて間違いなく主要な存在となり、さらに自動車環境でも役立つ可能性があります。