村田製作所の技術による超広帯域 (UWB) ワイヤレス通信

この記事では、超広帯域通信の概要を把握し、それを可能にするMurataのコンポーネントソリューションを探ります。

高速で高精度な通信に対する消費者の需要は衰える兆しを見せていません。Wi-Fi、Bluetooth、GPSのような従来のプロトコルは許容できる性能を提供していましたが、より良い精度への強いニーズが残っていました。超広帯域（UWB）技術はこの必要性を満たします。この記事では、UWB通信の概要とそれを可能にする村田製作所のコンポーネントソリューションについてご紹介します。

超広帯域 (UWB) とは何ですか？

このように、UWB（超広帯域）無線通信は、広い周波数帯域を使用し、ノイズレベルより低い伝送電力レベルという通信特性から、他の通信に対する干渉が少ないという特徴があります。さらに、通信内容が第三者に知られないため、高いセキュリティを備えています。また、低消費電力での通信も可能です。   図1に示すように、UWB無線通信では約2ナノ秒（ナノ秒；10⁻⁹秒）の持続時間を持つパルスがデータとして送信されます。この短い持続時間を持つパルスは、測距や位置決めにおいて高い分解能を持つという特性を有しています。   一方で、時間領域における短いパルス持続時間は、周波数領域における電力スペクトルが広帯域にわたることを意味します。（通信における時間領域と周波数領域については別のページで説明します。）   図2は、その周波数領域でUWB無線通信の伝送電力（電力スペクトル密度）を定性的に示しています。例えば、UWB無線通信が、2G携帯電話やWi-Fi、3G携帯電話などの従来の通信が使用する周波数帯域幅と比較すると、圧倒的に広いことが分かります。   さらに、他の通信方式よりも低いだけでなく、UWB無線通信における伝送電力のピーク値は、米国連邦通信委員会（FCC）*1が定めたデジタル機器の放射電磁ノイズ規制値 -41.3 dBm/MHz*2（75 nW/MHz）のノイズレベル規制値より低く設定されています。   このように、UWB無線通信は、広い周波数帯を使用し、ノイズレベルより低い送信電力という通信特性から、他の通信への干渉が少ないという特徴があります。さらに、通信内容が第三者に知られないため、高いセキュリティを備えています。また、低消費電力での通信も可能です。

*1: 米国連邦通信委員会（FCC）は、米国における無線通信や有線通信を含むすべての通信を管理および規制する政府機関です。   *2: dBm/MHzは1MHzの周波数幅ごとの電力レベル（電力スペクトル密度）を指します。dBmは電力を常用対数に変換した際の単位です。通信システム内で扱われる数値の範囲は非常に広いため、直接扱うのは不便です。そのため、範囲を縮小するために対数表現を使用するのが慣例となっています。

持ち物にUWBタグを取り付けることで、紛失を防ぐことができます。例えば、バッグ、財布、鍵などにUWBタグを取り付けたとします。その場合、UWBモジュールを搭載したスマートフォンを使用して、UWBタグの位置をセンチメートル単位で正確に特定することで、アイテムを見つけることができます。さらに、UWBタグのバッテリーはボタン電池ですが、低消費電力のため、約1年間持続すると言われています。

スマートフォンやその他のUWBモジュールを搭載したデバイスを使用することで、ハンズフリーかつ安全な建物や部屋の出入システムを構築することが可能です。   これまでPINコード、物理キー、ICカードなどの仕組みを使用していたマンションなどの住宅や、秘密情報を取り扱うオフィスや工場の入り口を、鍵やICカードを取り出すことなく、スマートフォンやその他のデバイスをポケットやバッグに入れたまま安全に解錠できるようになります。これは、UWBの高精度測距と高いセキュリティ機能を活用することで実現します。このように、スムーズな建物や部屋の出入りを実現するアプリケーションの普及が期待されています。

スマートフォンやUWBモジュールを搭載したその他のデバイスを使用することで、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、レストラン、その他の商業施設向けのハンズフリーで安全な支払いシステムを構築することが可能です。また、駅の改札口、娯楽施設、宿泊施設、駐車場およびその他の施設向けの料金請求システムを構築することもできます。
 
UWBの高精度な測距能力と高いセキュリティ機能を活用することで、財布、ICカード、スマートフォンなどを取り出すことなく、ハンズフリーでスムーズな支払いおよび料金請求を実現するアプリケーションの実用化と普及に期待が寄せられています。

自動車のスマートキーは、UWBワイヤレスの高精度な測距および位置情報を活用したアプリケーションです。たとえば、UWBを使用したワイヤレス通信を車両付近で利用することで、所有者が約1m以内にいる場合に車両を解錠し、所有者が車両の数十センチ以内にいる場合にエンジンを始動できるといった動作機能を設定することが可能です。   さらに、UWBワイヤレスは送信出力が極めて低い機密通信です。これにより、セキュリティが強化されます。たとえば、従来のワイヤレスキーが継続的に信号を送り続ける電波を中継して車両を解錠する「リレーアタック」と呼ばれる盗難手法を防ぐことができます。

現在、自動車がさまざまなセンサー、レーダー、AIシステム、その他の技術を搭載し、それらを連携させることでIoTに対応したものとなっている中、コントローラエリアネットワーク（CAN）などの車載ネットワークで使用されるワイヤハーネス（電線と接続端子で構成される車載部品）は、車両モデルによっては全長が10km、総重量が50kgに達すると言われています。接続された車両として並行して進化が進む状況において、他の通信との干渉が少ないUWB無線が車載ネットワークを無線化する上で効果的であると言われています。

工場、倉庫、およびその他の施設におけるリアルタイム位置情報システム 複数のUWBアンカーとUWBタグ*4を使用して、リアルタイム位置測位システム（RTLS）を構築することが可能です。このシステムは、工場や物流施設などの現場に配置された部品、パッケージ、その他のアイテムの位置を高精度かつリアルタイムで把握するものです。   *4: UWB無線通信を使用した位置測位により、複数のアンカーがタグから発信される信号を受信し、その情報を処理することでそのタグの位置を正確に把握することが可能です（コラム参照）。産業用UWBアンカーは通常、位置測位エンジン、アプリケーションサーバー、その他のシステムと連携して運用されます。

村田製作所（以下「Murata」）は、NXPまたはQorvoのUWBチップセットを採用し、高信頼性のフィルター、クロック、アンテナ、その他の周辺部品を組み合わせた、小型で低消費電力のUWBモジュールのラインアップを提供しています。

主な用途: バッテリー駆動のデバイスを含む一般的なIoTデバイス。これらのモジュールにはNXP Trimension™ SR150 UWBチップセットを採用しています。樹脂モールドに加えてコンフォーマルシールドで構成された小型モジュールです。3アンテナ仕様で2D AoAおよび3D AoAをサポートしています。   タイプ2BP: NXPベースのUWBモジュール

主な用途: コイン電池の低消費電力で動作するUWBタグ/トラッカーおよび一般的なIoT機器。このモジュールは、NXP Trimension™ SR040 UWBチップセットとNXP QN9090 Bluetooth® LE + MCUチップセットを採用したコンボモジュールです。オンボードアンテナおよび周辺コンポーネントをすべて一体型で装備しています。   Type 2DK: NXPベースのUWBモジュール  

主な用途: 小型バッテリーで稼働するIoTデバイスおよびアプリケーション。このモジュールは、超小型、高品質、省電力設計を特徴とするUWBモジュールで、Qorvo QM33120チップセットを採用しています。これらのモジュールは、UWBウェイクアップ（スリープ解除）およびファームウェアアップデート用のBluetooth® LEチップセット、当社の加速度計、UWBおよびMCU参照クロックなどのコンポーネントを搭載しています。   Type 2AB: QorvoベースのUWBモジュール

主な用途: 小型バッテリーで動作するIoTデバイスとアプリケーション。これらのモジュールは、非常にコンパクトで高品質、低消費電力設計を備えたUWBモジュールであり、Qorvo QM33120チップセットを採用しています。これらはUWBウェイクアップ（スリープキャンセル）やファームウェア更新のためのBluetooth® LEチップセット、加速度センサー、UWBおよびMCU基準クロックなどのコンポーネントを搭載しています。   タイプ 2AB: QorvoベースのUWBモジュール

UWB無線通信を使用した位置測定の方法として、UWB機能を搭載したスマートフォンや産業用UWBアンカー、UWBタグなどの端末間で、距離測定を飛行時間（ToF）と組み合わせ、角度測定を到着角度（AoA）と組み合わせることが一般的です。それぞれの方法について以下で説明します。

超広帯域 (UWB) 通信を使用した飛行時間 (Time of Flight, ToF) による測距は、メッセージ (信号) の送信から受信までの時間を測定することで対象物までの距離を計算する仕組みです。具体的には、UWB送信機が短いパルス信号を発信し、その信号を受信機が受信します。この送信から受信までにかかる時間がToFと呼ばれます。   ToF技術を利用したUWB測距は、電磁波 (光の速度) の速度と所要時間から距離を計算することを可能にします。具体的には、所要時間と光速度の積を使用して距離が求められます。UWBの広帯域特性によって短いパルス信号が使用可能となり、高い時間解像度と測定精度を得ることができます。その結果、センシングや位置測定のアプリケーションにおいて高精度な測定結果が得られることが期待されます。そのため、さまざまな分野で利用されています。   UWB測距技術には主に2つの手法があります。それは、Single-Sided Two-Way Ranging (SS-TWR) と Double-Sided Two-Way Ranging (DS-TWR) です。これらの手法は、信号の往復を伴う距離測定に対して異なるアプローチを採用しています。  

SS-TWR は、1 台のデバイスだけで往復時間を測定する方法です。この手法では、デバイス A がデバイス B に信号を送信し、デバイス B がその信号を受信した後、応答信号をデバイス A に送信します。デバイス A は、信号の送信から受信までに要した時間を測定して往復時間を算出します。
 
この方法により、デバイス A のみで測定が可能となります。ただし、両デバイスのクロック同期が必要です。

DS-TWRは、両方のデバイスで往復時間を測定し、その結果を共有する方法です。この技術では、デバイスAがデバイスBに信号を送信し、デバイスBがその信号を受信してから返信信号をデバイスAに送ります。デバイスAとデバイスBは、それぞれ信号の送信から受信までにかかる時間を測定します。その結果を使用して往復時間を計算します。この方法では、クロック同期は必要ありません。そのため、よりシンプルで高精度な測定が可能です。

AoAは、デバイスAから見たときにデバイスBが設置されている方向の角度を計算する方法です。図4に示されているように、UWB無線でのAoAを用いた角度測定では、デバイスBから放射される電波がデバイスAの複数のアンテナで受信され、受信した電波の位相差から角度を計算する仕組みです。その結果、2本のアンテナを使用した角度測定による平面位置決め（2D AoA）と、3本のアンテナを使用した角度測定による三次元位置決め（3D AoA）を行うことが可能となります。