超広帯域

従来の無線伝送と UWB の大きな違いは、従来のシステムでは正弦波の電力レベル、周波数、位相 (またはこれらの組み合わせ) を変化させて情報を送信するのに対し、UWB 伝送では特定の時間間隔で無線エネルギーを生成し、広い帯域幅を占有することで情報を送信するため、パルス位置変調または時間変調が可能になることです。また、パルスの極性、振幅、および/または直交パルスを符号化することで、UWB 信号 (パルス) 上で情報を変調することもできます。UWB パルスは、時間変調または位置変調をサポートするために比較的低いパルスレートで散発的に送信できますが、UWB パルス帯域幅の逆数までのレートで送信することもできます。パルス UWB システムは、連続的な UWB パルスストリーム (連続パルス UWB またはC-UWB ) を使用して、1 秒あたり 13 億パルスを超えるチャネルパルスレートで実証されており、前方誤り訂正符号化されたデータレートは 675 Mbit/s を超えています 。^{[ 6 ]}

UWB無線システムを使用すると、さまざまな周波数での送信の「飛行時間」を測定できます。これにより、一部の周波数は見通し線軌道を持ち、他の間接経路は遅延が長くなるため、マルチパス伝搬を克服できます。協調対称双方向計測技術を使用すると、距離を高解像度かつ高精度で測定できます。^{[ 7 ]}

UWBはリアルタイム測位システムに有用であり、その高精度な性能と低消費電力により、病院など無線周波数に敏感な環境に最適です。また、UWBはピアツーピアの高精度測距にも有用であり、2つの物体間の相対距離に基づいた多くのアプリケーションを可能にします。

UWBは位置検出に複数の技術を使用します: ^{[ 8 ]}

• 飛行時間（ToF）
• 到着時間差（TDoA）
• 双方向測距（TWR）
• 到着位相差（PDoA）

ToFとTWRは距離測定に重点を置いているのに対し、PDoAは複数のアンテナ間で搬送波の位相シフトを計算することで、到来角（AoA）を推定します。測距データと組み合わせることで、単一のアンカーを使用して高精度な2Dまたは3D測位が可能になり、モバイル端末の「フォローミー」機能や、インフラにあまり依存しない追跡ソリューションにとって重要な技術基盤となります。

Apple は 2019 年 9 月に、超広帯域無線機能を搭載した最初の 3 つのスマートフォン、すなわちiPhone 11、iPhone 11 Pro、および iPhone 11 Pro Max を発売しました。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Apple はまた、UWB を搭載した Apple Watch Series 6 を 2020 年 9 月に発売し、^{[ 12 ]}この技術を搭載したAirTag は2021年 4 月 20 日にプレス イベントで発表されました。^{[ 13 ] [ 4 ]} Samsung Galaxy Note 20 Ultra、Galaxy S21+、および Galaxy S21 Ultra も UWB のサポートを開始し、^{[ 14 ]} Samsung Galaxy SmartTag+も同様です。^{[ 15 ]} 2021 年 8 月に発売された Xiaomi MIX 4は UWB をサポートし、一部のAIoTデバイスに接続する機能を提供します。^{[ 16 ]}

FiRaコンソーシアムは、携帯電話を含む相互運用可能なUWBエコシステムを開発するために2019年8月に設立されました。現在、Samsung、Xiaomi、OppoがFiRaコンソーシアムのメンバーです。^{[ 17 ]} 2020年11月、Androidオープンソースプロジェクトは、今後のUWB APIに関連する最初のパッチを受け取りました。「機能的に完全な」UWBサポート（サポートされているデバイス間の測距のみのユースケース向け）は、Androidバージョン13でリリースされました。^{[ 18 ]}

UWBは、自律移動ロボット（AMR）やスマートビークルの自動追従および追従システムでますます利用されています。高精度測距とAoA/PDoA推定を統合することで、モバイルプラットフォームはターゲットタグをリアルタイムで自律的に追跡できます。この手法は、照明の変化、遮蔽、または同一のターゲット特徴によって視覚追跡が損なわれる可能性のある複雑な屋内環境で優れた信頼性を提供します。^{[ 19 ]}

超広帯域レーダーは、合成開口レーダー（SAR）技術への実装により広く注目を集めました。低周波数を使用した高解像度機能により、UWB SAR は物体透過能力について集中的に研究されました。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} 1990 年代初頭から、米国陸軍研究所（ARL）は、埋設された IED や隠れた敵を安全な距離で探知および識別するために使用される、さまざまな固定式および移動式の地中、樹木、壁を透過するレーダー プラットフォームを開発しました。例としては、railSAR、boomSAR、SIRE レーダー、SAFIRE レーダーなどがあります。^{[ 23 ] [ 24 ]} ARL はまた、プラットフォームが静止しているときに移動目標の速度を推定するために UWB レーダー技術にドップラー処理を組み込むことができるかどうかの実現可能性を調査しました。^{[ 25 ]} 2013年のレポートでは、積分期間中のターゲットレンジの移動によりUWB波形の使用に問題があることが指摘されたが、最近の研究では、適切なマッチドフィルタが使用されている限り、UWB波形は従来のドップラー処理と比較して優れた性能を発揮できることが示唆されている。^{[ 26 ]}

超広帯域パルスドップラーレーダーは、心拍数や呼吸信号などの人体のバイタルサインのモニタリング、歩行分析、転倒検出にも使用されています。消費電力が少なく、高解像度の距離プロファイルを持つため、連続波レーダーシステムの潜在的な代替手段となります。しかし、信号対雑音比が低いため、エラーが発生しやすいという問題があります。^{[ 27 ] [ 28 ]}

超広帯域は、「壁越しに見る」精密レーダー画像技術^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}、精密位置特定および追跡（無線機間の距離測定を使用）、および到着時間に基づく精密位置特定アプローチにも使用されています。 ^{[ 32 ]} UWBレーダーは、地下鉄の線路に落下した人や物体を検出するように設計された自動目標認識アプリケーションのアクティブセンサーコンポーネントとして提案されています。 ^{[ 33 ]}

超広帯域の特性は、 PC周辺機器、ワイヤレスモニター、ビデオカメラ、ワイヤレス印刷、ポータブルメディアプレーヤーへのファイル転送などの短距離アプリケーションに適しています。^{[ 34 ]} UWBはパーソナルエリアネットワークでの使用が提案され、IEEE 802.15.3aドラフトPAN標準に登場しました。しかし、数年間の行き詰まりの後、IEEE 802.15.3aタスクグループ^{[ 35 ]}は2006年に解散しました^{[ 36 ]}。作業はWiMedia AllianceとUSB Implementer Forumによって完了しました。UWB標準の開発の進捗が遅いこと、初期実装のコスト、および当初予想されていたよりも大幅に低いパフォーマンスは、コンシューマー製品でのUWBの使用が限られているいくつかの理由です（これにより、いくつかのUWBベンダーが2008年と2009年に事業を停止しました）。^{[ 37 ]}

UWBの精密な測位および測距機能により、衝突回避とセンチメートルレベルの測位精度が実現し、従来のGPSシステムを凌駕します。さらに、高いデータレートと低い遅延により、車両間のシームレスな通信が可能になり、リアルタイムの情報交換と協調動作が促進されます。UWBはまた、車両とインフラ間の効果的な通信も可能にし、インフラ要素と統合することで、正確なタイミングと同期されたデータに基づいて最適な動作を実現します。加えて、UWBの汎用性により、先進運転支援システム向けの高解像度レーダーイメージング、生体認証またはデバイスペアリングによる安全なキーレスエントリー、乗員監視システムなどの革新的なアプリケーションがサポートされ、利便性、セキュリティ、乗客の安全性が向上する可能性があります。^{[ 38 ]}

2002年2月、連邦通信委員会（FCC）は、UWBの送受信に関する規則を規定する改正（パート15）を発表しました。この発表によると、帯域幅が20%を超える信号、または帯域幅が500MHzを超える信号はすべてUWB信号とみなされます。FCCの規則では、通信および測定システムで使用可能な3.1GHzから10.6GHzまでの7.5GHzの非免許帯域 へのアクセスも規定されています。 ^{[ 58 ]}  

UWB帯域に存在する狭帯域信号（ IEEE 802.11a伝送など）は、 UWB受信機から見た場合、UWB信号と比較して高いPSDレベルを示す可能性がある。その結果、UWBビット誤り率性能の劣化が予想される。^{[ 59 ]}