周波数制御により、信頼性と安全性の高いUWBアプリケーションを実現

第二次世界大戦中に安全な通信とレーダシステム用に開発されたウルトラワイドバンド（UWB）は、商用利用が禁止され、何十年もの間、ほとんど利用されないままでした。2002年に発表された連邦規制により、UWBの利用が拡大しました。それ以来、産業、民生、通信、自動車など、ますます多くの商用アプリケーションでUWBは大きな支持を得ています。これらのアプリケーションは、UWBの正確な測位と位置追跡機能、そしてこのワイヤレスプロトコルに付随する高速データ伝送と最小限の電力消費を利用しています。

BluetoothやWi-Fiといった他の短距離ワイヤレス通信プロトコルと同様、UWBはパーソナルエリアネットワーク（PAN）の構築を可能にします。PANは電子デバイスを相互接続し、個人の近傍でのデータ伝送を容易にします。LANやWANを通じてデータを送信する代わりに、PANは人の近くにあるデバイス間で情報を送信します。

しかし、UWBは他の伝送技術とはいくつかの重要な点で異なっており、そのため、ますます多くの主流ワイヤレスアプリケーションにUWBが導入されるようになっています。

図1：UWBの安全で広い周波数範囲と精密なセンシングは、多くの主流ワイヤレスアプリケーションを可能にします。（画像提供：Aker Technology）

UWBは非常に高い周波数で動作し、他のワイヤレスプロトコルと干渉しません。空間オーディオ、スマートホーム統合、非接触型決済システムなどのアプリケーションを促進し、特に自動車、スマートフォンなどの携帯電話・民生用デバイス、タグ付けに有用です。この技術は、安全なハンズフリーアクセス、屋内ナビゲーション、非接触型決済、クレデンシャル共有、アイテム追跡などの高度な機能の実現に役立ちます。

UWBがもたらすメリット

BluetoothとWi-Fiはワイヤレス通信の世界でその地位を確保していますが、UWBはより高速で安全性が高く、極めて正確であるため、10〜20メートルの範囲で動作するアプリケーションで優位に立つことができます。これは、飛行時間（ToF）測定が可能なことが大きな理由です。

表1：UWBの3.1～10.6GHzのスペクトル帯は、Wi-FiやBluetoothの2.4/5GHzをしのぎます。UWBは、より高い周波数帯域と広い帯域幅で動作することで、多くのデータを安全に伝送することができ、高速かつ短距離のデータ伝送に最適です。（画像提供：Aker Technology）

信号がデバイス間を伝わる時間を正確に測定することで、UWBのToF機能は、外部の攻撃者がUWB通信にアクセスしたり、操作したりすることをより困難にします。これは、その暗号の性質、乱数の生成、その他のセキュリティ技術によって実現されます。

高い安全性に加え、UWB技術は、低消費電力、優れたノイズ耐性、正確な測位と位置追跡、さまざまな素材を容易に通過できる信号を提供します。UWBは、同じ周波数帯域の従来の狭帯域伝送や搬送波伝送と干渉することなく、大きな信号エネルギーを伝送することができます。

ワイヤレススピード（リアルタイムデータ、正確なタイミング）：Wi-Fiのデータレートは600Mbps、UWBのデータレートは460Mbpsと、UWBより少し高いです。一方で、UWBは、そのレーダのような検出能力により、ワイヤレスアプリケーションでは効果的な選択肢となります。（参考までに、Bluetoothのデータレートは24Mbpsです。）さらに、公称通信距離がBluetoothやWi-Fiよりも短いUWBは、正確なタイミングやリアルタイムのデータ伝送を必要とする短距離アプリケーションに最適です。

精度（測位、位置追跡）：UWBの精度は、短距離では他のどのワイヤレス技術よりも優れており、より正確なデバイスの位置を特定できます。他の無線通信との干渉がなく、無線バースト技術もあるため、UWBはWi-Fi（2〜3m）やBluetooth（1〜5m）よりもはるかに優れた10〜30cmの精度で距離を効果的に測定できます。

セキュリティ（データの完全性、安全な伝送）：UWBのパルス伝送技術はノイズや反射に強く、さまざまなアプリケーションで高い安全性を発揮します。2つのデバイス間の直接接続と正確な測定特性により、UWBは電波を記録したり中継したりすることなく、リアルタイムでデバイスと接続し、その正当性を認証することができます。

電力効率（低リーク、最適消費）：UWBは伝送速度が速く、タイミングフレームが明確に定義されているため、ほとんどの短距離プロトコルよりも電力を節約できます。さらに電力を最適化するために、ハイバネートを含むいくつかの低消費電力モードをサポートすることができます。UWB環境で見られるような小型のバッテリ駆動デバイスにとって、消費電力は極めて重要な要素です。

水晶発振器がUWBアプリケーションを実現

UWBは、広い周波数範囲にわたって短距離ワイヤレスアプリケーションの多くのニーズを満たします。しかし、UWBを非常に便利なものにしている正確な測位、位置追跡、高速データ伝送を確実にするためには、正確な周波数制御の必要性も出てきます。

表2：代表的な高性能水晶振動子は、UWBの周波数制御ニーズを満たします。水晶振動子は、信号とタイミングを確実に制御するために使用される一般的な周波数制御デバイスです。信号とタイミングの制御は、適切な時間と速度で情報を伝送するために必要です。水晶振動子の安定性、位相ノイズ特性、電力効率は、UWB通信や測位システムの品質や信頼性に影響を与える可能性があります。（画像提供：Aker Technology）

安定した発振器は、信頼性が高く正確なクロック信号を提供し、UWBパルスが望ましい形状とスペクトルを維持することを保証します。言い換えれば、UWBトランスミッタが生成するパルス形状は、発振器が提供するタイミングに影響されます。

発振器の周波数ドリフトや不安定性は、信号の歪みや性能低下につながる可能性があるため、適切な周波数範囲、許容誤差、安定性を持つ水晶振動子を選ぶことが重要です。その他の重要なパラメータには、パッケージタイプ、動作温度、負荷容量などがあります。

主なUWB市場

iPhone 11で初めて登場したUWBは、スマートタグや車載基準点（アンカー）など、多くのPANベースのアプリケーションで急速に普及しました。UWB技術は、スマートワイヤレス技術のイノベーション促進と自動化の向上に役立ちます。UWBがさまざまな短距離ワイヤレス市場に変革をもたらしている例をいくつかご紹介しましょう（図2）。

産業 – UWBは、資産追跡、屋内測位、監視システム、ワイヤレスセンサネットワーク、スマートグリッドアプリケーションで使用されています。この技術は、人員や機器の正確な位置情報を提供することができます。

民生用通信 – この技術は、スマートフォン、ウェアラブル、IoT、スマートホームシステム、スマートタグなどに使用され、短距離デバイス間の高速で信頼性の高いワイヤレス接続を実現します。UWBは、正確な屋内測位のような、より正確な空間トラッキングを提供します。

自動車 – キーレスエントリシステム、安全な車両アクセス、先進運転支援システム（ADAS）、トラッキングなど、自動車産業では正確な測位のためにUWBが使用されています。

図2：UWBアプリケーション。（画像提供：Aker Technology）

ワイヤレスイノベーションを支える周波数制御

ワイヤレス接続に対する需要の高まり、特にモノのインターネット（IoT）デバイスの普及と5Gネットワークの展開は、周波数帯域にわたって移動するデータを新たな限界に押し上げています。成長するワイヤレスインフラは、UWBが提供する重要な性能パラメータに依存しています。

広い周波数帯域で動作するUWBは、同じ周波数帯域の従来の狭帯域伝送や搬送波伝送と干渉することなく、大きな信号エネルギーを伝送することができます。この広い帯域幅の割り当てには、同じ周波数帯域で動作する他のワイヤレスシステムとの干渉を回避し、データ転送を同期させて信頼性の高い通信を維持するために、正確な周波数制御が必要です。

まとめ

UWB技術は、安全な測距と精密なセンシングを可能にし、ワイヤレスデバイスに新たな次元の空間的コンテクストを創り出します。同じ周波数帯域の従来の狭帯域伝送や搬送波伝送と干渉することなく、大きな信号エネルギーを伝送することができます。UWBは、IoT、ウェアラブル、インタイムロケーティング、スマートカーアクセス、ホームコントロールパネル、ピアツーピア通信、自動ロック解除、入退室管理の未来を担う技術です。Akerは、これらのアプリケーションに対応するさまざまなタイミング水晶振動子を提供しています。