超広帯域

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超広帯域UWB超広帯域、超広帯域および超帯域は、無線スペクトルの大部分にわたる短距離、高帯域幅の通信に非常に低いエネルギーレベルを使用できる無線技術です。[1] UWBは、非協調レーダーイメージングで従来のアプリケーションを使用しています。最近のアプリケーションは、センサーデータの収集、正確な位置特定[2]、追跡アプリケーションを対象としています。[3] [4] UWBサポートがハイエンドスマートフォンに登場し始めた c。2019年。

特徴

超広帯域は、広帯域幅(> 500  MHz)で情報を送信するためのテクノロジーです。これにより、同じ周波数帯域での従来の狭帯域および搬送波伝送に干渉することなく、大量の信号エネルギーの伝送が可能になります。多くの国の規制上の制限により、無線帯域幅のこの効率的な使用が可能になり、高データレートのパーソナルエリアネットワーク(PAN)ワイヤレス接続、長距離の低データレートのアプリケーション、レーダーおよびイメージングシステムが、既存のシステムと透過的に共存できるようになります。通信システム。

超広帯域は、以前はパルス無線として知られていましたが、FCCおよびInternational Telecommunication Union Radiocommunication Sector(ITU-R)は現在、UWBを、放射信号帯域幅が500 MHzまたは算術センターの20%のいずれか小さい方を超えるアンテナ伝送として定義しています。周波数。[5]したがって、パルスベースのシステム(送信された各パルスがUWB帯域幅(または少なくとも500 MHzの狭帯域キャリアの集合体。たとえば、直交周波数分割多重方式(OFDM))を占有する場合)は、UWBにアクセスできます。ルールの下でスペクトル。

理論

従来の無線送信とUWBの大きな違いは、従来のシステムは、正弦波の電力レベル、周波数、および/または位相を変化させることによって情報を送信することです。UWB送信は、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します。これにより、パルス位置が可能になります。または時間変調。情報は、パルスの極性、その振幅をエンコードすることによって、および/または直交パルスを使用することによって、UWB信号(パルス)で変調することもできます。UWBパルスは、時間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、UWBパルスの連続ストリーム(連続パルスUWBまたはC-UWB )を使用して、毎秒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、675Mビットを超える前方誤り訂正エンコードデータレートをサポートしています。 / s。[6]

UWB無線システムを使用して、さまざまな周波数での送信の「飛行時間」を決定できます。一部の周波数には見通し内軌道があり、他の間接パスにはより長い遅延があるため、これはマルチパス伝搬を克服するのに役立ちます。協調対称双方向計測技術を使用すると、距離を高解像度で正確に測定できます。[7]

アプリケーション

リアルタイムの位置情報

UWBは、リアルタイムロケーションシステムに役立ちます。その高精度機能と低電力により、病院などの無線周波数に敏感な環境に最適です。UWBは、2つのエンティティ間の相対距離に基づいて多くのアプリケーションを可能にする、ピアツーピアのファインレンジングにも役立ちます。

屋内ロケーション

omloxテクノロジー標準により、テクノロジーやメーカーに関係なく位置データを提供できますUWB部分は、 IEEE 802.15.4.z [8]標準 に基づいています。

携帯電話

Appleは、2019年9月に、超広帯域機能を備えた最初の3台の電話、つまりiPhone 11、iPhone 11 Pro、およびiPhone 11 ProMaxを発売しました。[9] [10] [11] Appleは2020年9月にAppleWatchのシリーズ6も発売しました。これはUWBを搭載し[12]、このテクノロジーを搭載したAirTagは2021年4月20日のプレスイベントで発表されました。[ 13] Samsung Galaxy Note 20UltraとGalaxyS21UltraおよびS21 +は、Samsung Galaxy SmartTag +とともにUWB [14]もサポートしています。[15] 2021年8月にリリースされ たXiaomiMIX 4は、UWBと、選択したAIoTデバイスに接続する機能をサポートしています。[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。Samsung、Xiaomi、Oppoは現在FiRaコンソーシアムのメンバーです。[17] 2020年11月、Android Open Source Projectは、今後のUWBAPIに関連する最初のパッチを受け取りました。機能が完全なUWBサポートは、Androidの新しいバージョンで期待されています。[18]

デジタルキー

UWBデジタルカーキーは、車とスマートフォンの間の距離に基づいて動作します。[19]

製品

ロケーションシステムに焦点を合わせた少数のUWB集積回路が、2020年の時点で生産中であるか、生産が計画されています。

サプライヤー 商品名 標準 バンド 発表 市販製品
マイクロチップ ATA8350 LRP 6.2-7.8GHz 2021年2月
マイクロチップ ATA8352 LRP 6.2-8.3GHz 2021年2月
NXP NCJ29D5 HRP 6〜8.5 GHz [20] 2019年11月12日
NXP SR100T HRP 6〜9 GHz [21] 2019年9月17日 サムスンギャラクシーノート20ウルトラ[22]
アップル社。 U1 HRP [23] 6〜8.5 GHz [24] 2019年9月11日 iPhone 11シリーズ、Apple Watchシリーズ6、iPhone 12シリーズ、HomePod Mini、AirTag、iPhone13シリーズ
カーボ DW1000 HRP 3.5〜6.5 GHz [25] 2013年11月7日
カーボ DW3000 HRP 6〜8.5 GHz [26] 2019年1月[27]
3 dB 3DB6830 LRP 6〜8 GHz [28]
CEVA RivieraWaves UWB HRP 無線に応じて3.1〜10.6 GHz 2021年6月24日[29]

産業用アプリケーション

UWBは、ニューヨーク市の地下鉄の信号での使用が評価されています。[要出典]

レーダー

超広帯域は、合成開口レーダー(SAR)技術への実装で広く注目を集めました。UWB SARは、低い周波数を使用しているにもかかわらず高解像度であるため、オブジェクトの透過能力について徹底的に研究されました。[30] [31] [32] 1990年代初頭から、米陸軍研究所(ARL)は、埋設されたIEDと隠されたIEDを検出および識別するのに役立つ、さまざまな固定および移動式の地中、葉、および壁貫通レーダープラットフォームを開発しました。安全な距離にいる敵。例としては、railSARboomSARSIREレーダーSAFIREレーダーなどがあります。[33] [34]ARLはまた、UWBレーダー技術がドップラー処理を組み込んで、プラットフォームが静止しているときに移動するターゲットの速度を推定できるかどうかの実現可能性を調査しました。[35] 2013年のレポートでは、積分間隔中のターゲット範囲の移行によるUWB波形の使用に関する問題が強調されていましたが、最近の研究では、正しい整合フィルターがあれば、UWB波形は従来のドップラー処理と比較して優れたパフォーマンスを発揮できることが示唆されています。使用されている。[36]

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、人間の歩行分析、転倒検出など、人体のバイタルサインを監視するため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備えているため、連続波レーダーシステムの代替案として機能します。ただし、信号対雑音比が低いため、エラーに対して脆弱になっています。[37] [38]このアプリケーションの商用例は、RayBabyです。これは、赤ちゃんが眠っているのか起きているのかを判断するために呼吸と心拍数を検出するベビーモニターです。Raybabyの検出範囲は5メートルで、1ミリメートル未満の細かい動きを検出できます。[39]

超広帯域は、「壁越し」の精密レーダーイメージング技術、[40] [41] [42]精密な位置特定と追跡(無線機間の距離測定を使用)、および精密な到着時間にも使用されます。ベースのローカリゼーションアプローチ。[43]それは効率的であり、約1013ビット/秒/ m2の空間容量を備えています。[要出典] UWBレーダーは、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おり、地下鉄の線路に落下した人間や物体を検出するように設計されています。[44]

データ転送

超広帯域特性は、 PC周辺機器ワイヤレス モニターカムコーダー、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最適です。[45] 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、IEEE802.15.3aドラフトPAN規格に登場しました。しかし、数年間のデッドロックの後、IEEE802.15.3aタスクグループ[46]は解散しました[47]。この作業は、WiMediaAllianceとUSBImplementerForumによって完了しました。UWB標準開発の進展が遅いこと、初期実装のコスト、および当初の予想よりも大幅に低いパフォーマンスが、消費者製品でのUWBの使用が制限されているいくつかの理由です(2008年と2009年にいくつかのUWBベンダーが運用を停止しました)。[48]

規制

米国連邦通信委員会(FCC)によると、米国では、超広帯域とは、帯域幅が500 MHzまたは算術中心周波数の20%のいずれか低い方を超える無線技術を指します。2002年2月14日のFCCReport and Order [49]は、3.1〜10.6GHzの周波数範囲でのUWBの無許可使用を承認しまし UWB送信機のFCCパワースペクトル密度放射制限は-41.3dBm / MHzです。この制限は、UWB帯域の意図しないエミッターにも適用されます(「パート15」の制限)。ただし、UWBエミッタの放射制限は、スペクトルの他のセグメントでは大幅に低くなる可能性があります(-75 dBm / MHzまで低くなります)。

国際電気通信連合無線通信セクター(ITU-R )での審議の結果、 2005年11月にUWB [要出典]に関する報告と勧告が出されました。英国の規制当局であるOfcomは2007年8月9日に 同様の決定[50]を発表しました。

同じスペクトルを共有する狭帯域信号とUWB信号の間の干渉が懸念されています。以前は、パルスを使用した唯一の無線技術は火花ギャップ送信機でした。これは、中波受信機に干渉するため、国際条約で禁止されていました。ただし、UWBははるかに低いレベルの電力を使用します。この主題は、米国でのFCC規則の採用につながった手続き、およびUWBテクノロジに関するレポートと推奨事項につながるITU-Rの会議で広く取り上げられました。一般的に使用されている電化製品(ヘアドライヤーなど)は衝撃的なノイズを放出し、支持者は、低電力の広帯域送信機を広く展開しても、ノイズフロアが過度に上昇しないと主張することに成功しました。[要出典]

他の規格との共存

2002年2月、連邦通信委員会(FCC)は、UWBの送受信のルールを指定する修正案(パート15)をリリースしました。このリリースによると、部分帯域幅が20%を超える信号、または帯域幅が500 MHzを超える信号は、UWB信号と見なされます。FCCの決定では、通信および測定システムで利用できる3.1〜10.6GHzの7.5GHzのライセンスのないスペクトルへのアクセスも定義されています。[要出典]

IEEE 802.11a送信など、UWB範囲に存在する狭帯域信号は、UWB受信機から見たUWB信号のPSDと比較して、高いパワースペクトル密度(PSD)レベルを示す場合があります。その結果、UWBビットエラーレートのパフォーマンスが低下すると予想されます。[51]ノッチ付きUWBアンテナ[52]およびフィルター[53]は、UWBデバイスと狭帯域デバイスが共存するように設計されています。

テクノロジーグループ

も参照してください

参考文献

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外部リンク