UWB測距

超広帯域インパルス無線測距（UWB-IR測距）は、 IEEE 802.15.4z規格^[1]に基づく無線 測位技術であり、 IEEEによって導入された無線通信プロトコルで、非常に広い帯域幅のトランシーバーを備え、免許不要のスペクトルで動作するシステム向けである。UWBは、狭帯域システムとの大きな干渉を招くことなく、非常に正確な測距^{[2] （}センチメートルのオーダー）を可能にする。これらの厳しい要件を満たすために、UWB-IRシステムは、サポートする利用可能な帯域幅^[3]（IEEE 802.15.4zプロトコルに準拠したシステムの場合は500 MHzを超える）を活用し、特に屋内環境でのマルチパスに対する非常に正確なタイミング（したがって測距）と堅牢性を保証する。 ^[4]利用可能な帯域幅により、UWBシステムは信号電力を広いスペクトル^{[5]に拡散することも可能になり（この技術は}スペクトル拡散^[6]と呼ばれる）、狭帯域干渉を回避する。^{[7] [8] [9]}

UWB-IR は、特定のシーケンスの短時間パルスの低電力送信に依存しています。干渉と電力消費を減らすために、送信電力はFCC規制に従って制限されています。この規格でサポートされているバンドは次のとおりです。

• サブギガヘルツ帯域には 1 つのチャネルのみが含まれており、範囲は 249.6 MHz から 749.6 MHz です。
• 低帯域には 4 つのチャネルが含まれ、範囲は 3.1 GHz から 4.8 GHz です。
• 11 チャネルを含み、6.0 GHz から 10.6 GHz までの範囲の高帯域。

UWB システムにおける主要な時間区分はフレームで構成されます。各フレームは 2 つのシーケンスの連結によって構成されます。

• 最初のものはプリアンブル（SHR または同期ヘッダーとも呼ばれる）と呼ばれ、送信側と受信側の両方で事前に認識されるヘッダーで構成されます。同期の目的で使用されます。
• 2 つ目は物理層プロトコル データ ユニット (PPDU と略記) と呼ばれ、送信側でのみ事前にわかっている通信データが含まれています。

プリアンブルと PPDU のさらなる時間区分は、異なる方法で構成されます。位置特定には、受信側で正確な同期を実行するように特別に設計されているプリアンブルのみが使用されます (詳細は後述)。

SHR シーケンスは、他の 2 つのサブシーケンスの連結によって構成されます。

• 最初のシーケンスは同期シーケンス (略して SYNC) と呼ばれ、最も長いシーケンスです。同期シーケンスの目的は、有効なSNR を増加させ、同時にピークの高い自己相関関数を示して同期精度を高めることです。
• 2 つ目は、フレーム区切りシーケンスの開始 (SFD と略記) と呼ばれ、名前が示すように、さまざまなフレームの時間区切りを効率的に認識するために使用されます。
• SYNC シーケンスと SFD シーケンスは両方とも、さらにシンボルに時間分割されます。
• SYNC シーケンスは同一のシンボルで構成されます。${\displaystyle N_{\mathrm {sync} }\in \{16,64,1024,4096\}}$
• SFD シーケンスは、フレームの時間区切りを簡単に検出できる特定のコードに従って生成されたさまざまなシンボルで構成されます。${\displaystyle N_{\mathrm {sfd} }\in \{8,64\}}$
• 各シンボルは、長さ 31 または 127 の 3 進コード (シーケンスの要素は 0、+1、-1 のいずれか) によって生成されるバーストのシーケンスで構成されます。これらのコードは、ピーク検出による同期を簡素化し、同時に誤報 (送信されなかったコードの検出など) を回避するために、非常に高いピークの自己相関と非常に低い相互相関を持つように特別に設計されています。
• 各バーストはさらにチップに分割されます。${\displaystyle L}$
• ${\displaystyle L}$は拡散係数と呼ばれ、 PRFとチップ レートの比率として定義されます。長さ 31 のコードの場合は 16 または 64 に等しくなり、長さ 127 のコードの場合は 4 に設定されます。つまり、シンボルあたりのチップ数です。拡散係数の目的は、その名前が示すように、信号を時間領域で拡散して、チップを時間的に非常にまばらにし、同じバンドで動作する他のシステムとの干渉を減らすことです。${\displaystyle L}$${\displaystyle N_{\mathrm {cps} }\in \{496,508,1984\}}$
• チップ レートは= 500 MHz です。または、チップ時間は= 2 ns です。${\displaystyle f_{c}}$${\displaystyle T_{c}}$
• 各チップは同じパルス波形で変調されます。
• パルス波形はプロトコルによって指定されていないため、ユーザーの好みに任されています。ただし、パルスのスペクトルは許可されたチャネル内に完全に含まれている必要があります。

送信されたSHR波形（ベースバンド相当）は次のようにモデル化できる。

$${\displaystyle x(t)=\sum _{k,n}c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}{\big )}}$$

ここでパラメータは以下のように定義されます

• ${\displaystyle c_{kn}\in \{0,\pm 1\}}$。
• ${\displaystyle p(t)}$パルスの形状です。
• ${\displaystyle L}$拡散係数です。
• ${\displaystyle N_{\mathrm {cps} }}$シンボルあたりのチップの数です。
• ${\displaystyle T_{c}}$チップタイムです。

受信されたSHR波形は次のように記述できる。

$${\displaystyle y(t)=\sum _{k,n,\ell }\alpha _{\ell }\cdot c_{kn}\cdot p{\big (}t-nLT_{c}-kN_{\mathrm {cps} }T_{c}-\tau _{\ell }{\big )}+w(t)}$$

追加のパラメータは次のように定義される。

• ${\displaystyle \alpha _{\ell}}$およびパスに関連付けられた複素チャネル ゲインと伝播遅延です。${\displaystyle \tau_{\ell}}$${\displaystyle \ell^{th}}$
• ${\displaystyle w(t)}$はノイズ波形であり、通常はAWGNとして記述されます。

伝播遅延を距離に関連付けるには、送信機と受信機の間にLoSパスが存在するか、または反射光線に基づいて位置特定を実行するために環境の詳細なマップがわかっている必要があります。

マルチパスが存在する場合、すべてのレプリカを区別するためには、広い帯域幅が最も重要になります。そうしないと、特に屋内環境では、受信側でレプリカが大幅に重複してしまいます。

伝搬遅延は、通常、受信信号と送信SHR波形間の相互相関のピークを見つけることに基づいて、いくつかのアルゴリズムを通じて推定することができます。一般的に使用されるアルゴリズムは、最大相関と最大尤度です。^{[10] [11]}

トランシーバー間の相互距離を推定する方法は2つある。^{[12] [13] [14]}最初の方法は到着時間（TOA）に基づくもので、片道測距と呼ばれる。これはアンカー間の事前同期を必要とし、遅延を推定し、距離を計算することで構成される。

$${\displaystyle {\hat {r}}=c\cdot {\hat {\tau }}}$$ここで、はLoS パスの推定遅延を指します。 ${\displaystyle {\hat {\タウ }}}$

2 番目の方法は、往復時間(RTT) に基づいており、双方向測距と呼ばれます。これは、次の手順で構成されます。

• 最初のアンカーはデータフレームを送信する
• 2番目のアンカーはフレームを受信し、一定時間待機します。${\displaystyle T}$
• 一定時間待った後、2番目のアンカーは確認応答フレームを送信する。${\displaystyle T}$
• 最初のアンカーは確認応答フレームを受信し、最初のデータフレームの送信以降に蓄積された遅延を推定する。

この2番目のケースでは、2つのアンカー間の距離は次のように計算できます。

$${\displaystyle {\hat {r}}={\frac {1}{2}}\cdot c\cdot ({\hat {\tau }}-T)}$$この場合も、LoS パスの推定遅延を指します。 ${\displaystyle {\hat {\タウ }}}$

UWB による測距にはいくつかの利点があります。

• 送信電力は非常に低い（0.1 mW）ため、バッテリーを節約し、他の通信システムとの干渉を制限することができます。
• 低い送信電力、高い拡散率、および効果的な 3 値測距コードの採用により、干渉は非常に制限されます。
• 干渉が制限されているため、さまざまなシステム ( Wi-Fi、Bluetooth、コードレス電話など) が互いに干渉することなく (または干渉が非常に少ない状態で) 同じ帯域で動作できます。
• UWB は無認可のスペクトルで動作するため、ライセンスは不要であり、これらのシステムは比較的安価になります。
• 時間領域での高いスパース性と 3 値測距コードの使用により、帯域が通常の必要なビット レートよりもはるかに大きくなるため、高周波数の再利用が可能になります。
• 帯域幅が大きいため、位置特定を実行するために低遅延データ通信が必要な場合（アンカー参照位置、速度、タイミングの通信など）に、高データレートの伝送がサポートされます。
• 広い帯域幅により、正確な時間的（および範囲的）解像度を実現でき、受信側でマルチパスレプリカを正確に区別することも可能になります。
• RTT に基づく方法では事前の同期は必要ありません。

ただし、UWB システムにはいくつかの欠点もあります。

• 送信電力の制限が低いため、UWB システムは短距離でのみ動作でき、それ以外の場合は受信側で信号を検出できません。
• 帯域幅が広いため、ノイズ電力レベルは通常高くなり、SNR が低下し、測距精度も低下します。
• 帯域幅が広いと高いサンプリング周波数が必要となり、トランシーバーがかなり高価になる可能性があります。

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