►►► UWB の火災と巨人がゲームに登場
長らく噂されていたNIOフォンが間もなく発売されるかもしれない。工業情報化部の公式ウェブサイトによると、申請者はWeilai Mobile Technology Co., Ltd.で、携帯電話モデルN2301は正式にネットワークアクセスを完了したとのこと。関連する認証情報によると、N2301 は UWB をサポートし、Weilai 車両のデジタル キーとして使用できることが示されています。
図1 NIO携帯電話のコンセプトマップ
UWBとは何ですか?
なぜこれほど多くの携帯電話メーカーが UWB について言及しているのでしょうか?
デジタルキーとは何ですか?
最近発売された新車には、すべてこのコンセプトが盛り込まれているようです。
UWBとデジタルキーの関係は何ですか?
上記の質問もお持ちの場合は、Xinchida Technology が近日中に「超広帯域 (UWB) ナレッジ統合シリーズ記事」を公開して、その質問に 1 つずつ回答する予定です。
UWB は新しいテクノロジーではありませんが、Apple が 2019 年に iPhone 11 をリリースしたときに本格的に世間の注目を集めました。フィル・シラー氏は記者会見で U1 チップについてまったく言及しませんでしたが、人々は背景のスライドで U1 チップを見ただけでした。しかし、業界から強い注目を集めるには十分だ。その後、人々は、Apple が iPhone の空間認識 (空間認識) を強化するために iPhone 11 に U1 チップを組み込んだことを知りました。U1 チップの「U」はウルトラワイドバンド (UWB) を指します。
図 2 Apple が U1 チップを発売
Xiaomi もこれに続き、UWB に基づく「ワンフィンガー リンク」テクノロジーをリリースしました。携帯電話を特定のスマート デバイスに向けると、人間による選択を必要とせずに、デバイスのコントロール カードが自動的に呼び出されて直接制御されます。携帯電話やスマートデバイスは、「指一本接続」による空間認識機能を備えています。
図 3 Xiaomi UWB ワンフィンガーリンク
サムスンはまた、UWB が革新的な無線通信技術になると信じており、主力製品である Galaxy Note20 Ultra には初めて UWB が導入され、便利で効率的なファイル共有を実現するための新しい Point to Share 機能が追加されています (実際、これは、 iOSシステムのAirDrop機能）。
図 4 サムスンが UWB 携帯電話を発売
iPhone 11 以降、すべての iPhone に U1 チップが標準搭載されており、Apple は iPhone に加えて、多くの自社製品 (Watch Series 6 以降のバージョン、HomePod mini、第 2 世代 HomePod、および新しい AirPods) にも U1 チップを埋め込んでいます。 Pro 充電ケース)、および AirTags)。少し前に、「地球上で最も強力な Apple アナリスト」である Ming-Chi Kuo 氏は、Vision Pro のサポートを強化するために、U1 チップの仕様が 16 nm から 7 nm にアップグレードされたと指摘しました。Apple は UWB テクノロジーにさらに注目しています。過去最高の。
図5 Ming-Chi Kuo氏のツイート
携帯電話メーカーに加えて、自動車会社も UWB テクノロジーに注目しています。老舗自動車会社BMW iX M60とBMW iX xDrive40はUWBデジタルキーを世界で発売し、新電力NIO ET7は中国でUWBデジタルキーを発売し、最近では新エネルギー大手のBYDが世界初のMPVであるデンザD9を発売した。 UWBデジタルキーを搭載。既存の自動車会社も新興自動車メーカーも、UWB テクノロジーの使用を重視しています。
図 6 BMW NIO が UWB テクノロジーを採用
►►► UWB トレーサビリティと初期研究
UWB (Ultra-wideBand) の歴史をたどると、インパルス ラジオ (IR、Impulse Radio) について触れなければなりません。なぜなら、初期のUWBは「パルス無線技術」（ベースバンド伝送技術、キャリアレス伝送技術とも呼ばれる）と呼ばれていたからです。
図7 パルス無線開発の略歴
ここで私たちが覚えておくべき3人の人物を紹介します。
► 1887 年、ドイツの物理学者ハインリッヒ ヘルツは、スパーク ギャップ送信機を使用してパルス無線を生成することにより、電磁波の存在を確認しました。
► 1893 年、「神に最も近い男」ニコラ テスラは、パルス無線を使用した無線通信の可能性を公衆に実証しました。
► 1901 年、イタリアの電気技師グリエルモ マルコーニは、パルス無線を使用してモールス信号シーケンスを大西洋を 3,500 キロメートル越えて送信しました。
現代的な意味では、通信分野における UWB の研究と応用は、1960 年代に登場したパルス通信技術から始まりました。
► 1969 年から 1984 年にかけて、アメリカ カトリック大学のハームスは、UWB トランシーバーの設計の基礎を築く書籍や論文を出版しました。
► ほぼ同時に、Sperry Rand Company の Ross と Robbins は、複数のアプリケーション分野で UWB テクノロジーの使用を独自に開拓しました。
► 1973 年にロスによって発行された特許 (米国特許 3728632) は、UWB 通信の分野における重要なマイルストーンでした。
通信に加えて、レーダー分野における UWB の研究と応用も同時に開発されています。
► 1950 年代後半、リンカーン研究所とスペリー研究センターによって開発されたフェーズド アレイ レーダー システムは、現代の UWB 技術研究の始まりでした。
► 1974 年、GSSI はモーリーが設計した地面を貫通する UWB レーダー システムで商業的成功を収めました。
► 1977 年、USAF ローマ航空開発センターの Paul van Etten は UWB レーダー システムの実験テストを実施し、UWB システム設計とアンテナ概念の開発を促進しました。
►►► UWB の定義と原理分析
1960 年代以来、UWB は米軍の戦闘技術の 1 つでした。
1989 年、米国国防総省の子会社である国防高等研究計画局 (DARPA) が初めて「UWB」という用語を使用し、-20dB での信号の絶対帯域幅が 1.5GHz よりも大きい場合、または相対帯域幅よりも大きい場合は、と規定しました。帯域幅 25% を超える場合、信号は超広帯域信号です。
2002 年、米国連邦通信委員会 (FCC) は民生用の超広帯域無線技術を承認し、超広帯域信号を再定義して標準化しました。
► -10dB での絶対帯域幅 (B) が 500 MHz より大きく、中心周波数 (fC) が 2.5 GHz より大きい、または相対帯域幅 (Bfrac) が 0.2 より大きく、中心周波数 (fC) が 2.5 より小さいGHz。ここで、fC=(fH+fL)/2、B=fH-fL、Bfrac=B/fC
図8 UWBの概略図
► 周波数範囲は 3.1 GHz ～ 10.6 GHz で、放射電力制限は -41.3 dBm です。
図 9 UWB 帯域幅の比較
従来の無線通信は、無線周波数（RF、Radio Frequency）搬送波を使用して信号を送信し、搬送波の周波数と電力を一定の範囲内で変化させて情報を送信します。UWB は信号伝送にパルス無線を使用します。パルス無線は 0 と 1 を表すパルス信号を 1 秒あたり最大 10 億個送信できます。これらのパルス信号の時間領域は非常に狭く (ナノ秒またはピコ秒レベル)、周波数領域は非常に広いです。数 Hz ～ 数 GHz）、その低周波部分は壁を越えた通信を実現できます（レーダー アプリケーション）。パルス信号の送信電力は非常に低く、バックグラウンドノイズよりもさらに低く、基本的に他の狭帯域信号に干渉しません。
図10 UWBパルス波形
UWB 信号原理の分析を通じて、UWB の次の利点を見つけるのは難しくありません。
► 大チャネル容量: UWB 帯域幅は 500 MHz 以上であり、シャノンの公式によれば、帯域幅が広いほどチャネル容量も大きくなります。
► 高い伝送速度: UWB は、約 10 メートルの範囲内で数百 Mbit/s から数 Gbit/s のデータ伝送速度を達成できます。
► 低い送信電力: UWB 信号の送信電力は低く、エネルギー消費が低く、人体への放射線の危険はほとんど無視できます。
► 高いマルチパス解像度: UWB 信号は強力な時間的および空間的解像度を持ち、チャネル減衰の影響を受けにくく、強力な抗減衰機能を備えています。
► 優れたシステム機密性: UWB 信号のパワー スペクトル密度は通常の環境ノイズよりも低いため、UWB 信号の識別が困難になります。
► 高い測位精度: UWB 信号の特性により、距離分解能の精度はセンチメートルレベルに達します。
► 強力な透過能力: UWB ナローパルスは強力な透過能力を持っており、障害物を透過し、障害物の後ろに隠れている物体を識別できます。
►►► UWB 標準とアライアンス組織
IEEE 802.15.3a
UWB には大きな開発の可能性と広範な応用の可能性があるため、2002 年に FCC が民生用として UWB を承認して以来、UWB 規格の議論は非常に激しくなりました。2003 年の初めまでに、電気電子学会 (IEEE、電気電子学会) は、エレクトロニクス エンジニア)) が IEEE 802.15.3a の策定を開始したとき、20 以上の UWB ソリューションを受け取りましたが、市場審査を経て、最終的に残った UWB ソリューションは主に次のとおりです。
► Intel と Texas Instruments が主導する MB-OFDM ソリューション。
► Motorola と XtremeSpectrum が主導する DS-CDMA ソリューション。
しかし、これら 2 つの計画はいずれも IEEE の最終投票を通過しませんでした。さらに、MB-OFDM と DS-UWB の 2 つの UWB ソリューションは本質的に異なり、相互に互換性がないため、IEEE 802.15.3a は 2 つのソリューションを統合できず、2006 年に IEEE は 802.15.3a ワーキング グループを解散しました。
IEEE 802.15.4a
IEEE 802.15.3a 技術標準の策定と同時に IEEE 802.15.4a 標準の策定も始まり、2007 年から現在まで、UWB 技術は主に IEEE 802.15.4 標準ワーキング グループで開発されています。ついに2011年版が完成したのがIEEE 802.15.4a-2011ですが、2018年にセキュリティ上の理由からIEEE 802.15.4a-2011はIEEE 802.15.4zにアップグレードされました。最新の IEEE 802.15.4z 規格では、LRP (低レート パルス) と HRP (高レート パルス) という 2 つの UWB 物理層仕様が定義されています。
現在、UWB の開発を推進している重要な組織は次のとおりです。
► IEEE Standards Association (IEEE Standards Organization): UWB は IEEE 802.15.4 標準の一部です。IEEE 内では、802.15 TG4Z ワーキング グループによって維持されています。UWB 標準の物理層と、メンバーには、NXP、Apple、Decawave、Samsung などが含まれます。Decawave の共同創設者である Michael McLaughlin が、IEEE 802.15 を作成したエンジニア チームのメンバーであることは言及する価値があります。 4a規格。
► UWB Alliance: UWB の発展を最大限に高めるために、強力な規制およびスペクトル管理環境を提供することに尽力しています。干渉を最小限に抑えながらスペクトル共有の最適化に強力に取り組みます。拡大するワイヤレスマルチバースでの共存を提唱し、メンバーや関係者と協力して「すべてを連携させる」戦略に関するソートリーダーシップを提供します。垂直産業を促進してモノのインターネットとインダストリー 4.0 における UWB の価値を実証し、チップからサービスに至る UWB バリュー チェーン全体をカバーするグローバル エコシステムを構築することを目的としています。(コアメンバーには、Bosch、Qorvo、KIA、Ubisense、Xiaomi など)
► FiRa コンソーシアム (FiRa Alliance): FiRa という名前は「ファイン レンジング」の略で、「フィーラー」と発音され、ターゲットの距離を測定したり位置を特定したりする際に前例のない精度とセキュリティを提供する UWB テクノロジーの独自の能力を強調しています。ビジョンは、人々とデバイスに正確な位置認識を提供することで、環境との関わり方を変えることです。幅広い製品およびソリューション企業に、エコシステムと相互運用性の課題を迅速に解決して、将来の相互成功を達成する方法を提供するように設計されています。(コアメンバーには、Apple、Bosch、Cisco、Google、NXP、Qorvo、Qualcomm、Samsung などが含まれます)
► カー コネクティビティ コンソーシアム (CCC アライアンス): 持続可能で柔軟なエコシステムを構築し、車両とスマートフォン間のインターフェイスを標準化します。相互運用性を高め、市場の断片化を軽減することで、すべての車両とモバイル デバイスにわたって一貫したユーザー エクスペリエンスを提供するように設計されています。世界の自動車およびスマートフォン業界のほとんどを代表するその使命は、関連するすべての業界を結集して、将来の車両とスマートフォンの接続ソリューションの業界標準を設定することです。CCC は、自動車情報、通信、エンターテイメント システムの統合運用におけるモバイル デバイス、サービス、アプリケーションの接続を容易にします。モバイル デバイス OEM と車両 OEM 間の調整により、使いやすく、便利で、安全でプライバシーが保護され、幅広い機能を備えた製品を作成します。(コアメンバーには、Apple、Xiaomi、BMW、Ford、GM、Google、NXP、Mercedes-Benz、Volkswagen、Samsung など)
► PROFIBUS & PROFINET International (PI International): omlox は、PI International が発表した世界初の産業グレードのオープン測位技術標準であり、omlox によって定義された技術を使用し、さまざまなメーカーのコンポーネントを使用して柔軟なリアルタイム測位ソリューションを実装することを目的としています。さまざまなメーカーの UWB ベースのデバイスを測位エリアに配置することができ、補完的な測位技術の位置情報を統合的にマッピングできます。(コアメンバーには、Accenture、Amazon、Kaos、Inspur、Qorvo、Siemens など)
国内の UWB 関連組織は主に車両と機械の相互接続を目指しています。
► インテリジェント コネクテッド ビークル産業エコロジカル アライアンス (ICCE): 業界のすべての当事者の力を結集して、モバイル端末と自動車の相互接続とコラボレーションに関連するアプリケーション シナリオ、ニーズ、技術、標準の研究と応用推進を共同で実施することに重点を置いています。 、技術、産業、アプリケーションの研究開発を促進します。それらを組み合わせて良好な協力雰囲気と協力メカニズムを形成し、国内外のメーカーと広範な交流と協力を実施し、Win-Winの結果を達成するためのグローバル協力プラットフォームの構築に努めます。 。主な重点分野には、自動車データ、デジタル自動車キー、モバイルインテリジェント端末と自動車の相互接続コラボレーションなどが含まれますが、これらに限定されません。アライアンスは技術中立の原則を堅持しており、事業方向の技術的方向性は設立後のワーキンググループによって共同で決定される。（コアメンバーには、中国自動車工業協会、ファーウェイ、CAICT、BYD、東風、万里の長城、GAC、吉利汽車、上海汽車など）
► インテリジェント カー コネクティビティ オープン アライアンス (ICCOA): Xiaomi、OPPO、Vivo の携帯電話メーカー 3 社をイニシエーターとして、携帯電話と自動車の革新的な開発に基づいて、国内の主流自動車会社と業界関連の Tier 1 を統合します。相互接続。スマートカーおよび機械産業の強みを結集し、スマートカーコネクティビティのオープンで協調的なエコシステムを共同で構築することを使命として、スマート端末とカー相互接続コラボレーションに関連するシナリオ、技術、標準の研究と応用促進を実施しています。携帯電話と自動車、テクノロジーとデータを実現します。ハードウェアとソフトウェアの緊密な統合により、業界の細分化が軽減され、モバイル端末と自動車の間の相互接続が促進され、ユーザー エクスペリエンスが向上します。(コアメンバーには、Xiaomi、OPPO、vivo、Changan、Geely、SAIC が含まれます。)
► Internet Financial Identity Authentication Alliance (IIFAA): アライアンスの発展は業界のトレンドとますます統合されており、「信頼できるデジタル ID の構築に焦点を当て、デジタル世界の無限の可能性を結び付ける」という新しい使命が徐々に形成されています。技術革新、シーンの変化、ビジネスチャンスにより、ユーザーはデジタル世界を安全に移動できるようになります。現在、当社は声紋認識の応用、スマートトラベルシナリオにおける車のデジタルキーアプリケーション、遠隔口座開設やセルフサービス通関などのシナリオにおける顔認識の応用に関連する複数のセキュリティ基準の策定を精力的に推進しています。アライアンスの共創により、標準分野のギャップを補うことができます空白部分は産業用途の安全指標の参考となります。(コアメンバーには、情報通信技術アカデミー、アント フィナンシャル、ファーウェイ、サムスン、アリババ、ZTE が含まれます。)
歴史的に UWB の開発に貢献してきた人々には言及する価値があります。
► MBOA Alliance (Multiband OFDM Alliance): アライアンスの名において、MB-OFDM UWB テクノロジーを UWB テクノロジーの標準提案として IEEE 802.15.3a に提出することに尽力しています。このアライアンスには最大で 50 社以上のメンバーが参加しており、いずれも家電、パソコン、半導体、デジタル イメージングなどの分野で重要なメーカーです。IEEE 802.15.3a の UWB 技術は最終的に完成しなかったため、MBOA は最終的に WiMedia に統合されました。
► WiMedia Alliance: 高速 UWB の研究と推進において IEEE 802.15.3a と協力することに尽力しています。IEEE 802.15.3a は高速 UWB 低レベル標準の研究と策定に取り組んでおり、WiMedia は高速 UWB 高レベル標準の研究と策定に取り組んでいます。その後、IEEE 802.15.3a 標準の失敗により、MBOA と統合されました。2009 年に、WiMedia はすべての仕様を Bluetooth Special Interest Group (SIG)、Wireless USB Promoter Group、および USB Implementers Forum に移管しました。WiMedia Alliance は 2010 年に活動を停止しました。
►►► UWB の機能と応用分野
UWB の特性に応じて、その基本機能はデータ送信、レーダー画像化、測距、測位に分類されます。
► データ伝送の面では、業界は近距離無線伝送用の UWB に大きな期待を寄せていました。しかし、2009年に競合でもあったWi-Fi技術が急速に発展し、あっという間に近距離無線伝送市場を掌握し、ついにUWBは無線パーソナルエリアネットワーク(WPAN)伝送の段階から撤退しました。業界では、ウェアラブル デバイス通信のための UWB について多くの研究が行われています。しかし、2013 年に Bluetooth Low Energy (BLE) がウェアラブル デバイスの接続技術の主流になりました。現段階ではウェアラブルデバイスとスマートフォン間で送受信されるデータ量はそれほど多くないため、UWBの利点が実用化されにくい。
► レーダー画像の観点から見ると、UWB レーダーは、戦争後の死傷者の捜索や、地震や地滑り後の人々の捜索と救助において常に主流のソリューションでした。UWBバイオレーダーは、生体に接触する導体やセンサーを必要とせず、生体の呼吸や心拍情報を非接触・長距離で検出することができます。UWBレーダーは、無線信号のドップラー効果を利用して周囲の電磁環境の変化を検出し、電磁環境の変化の特徴を通じて動きや呼吸の有無を判断します。UWBレーダーは車体領域のリビングレーダーやキックレーダーとして使用でき、車両の安全性と利便性を効果的に向上させることができます。
► 測距と測位の点では、UWB はセンチメートルレベルの測距と測位機能により市場で再認識されていますが、これはリアルタイム測位サービス (RTLS) に対する人々の需要の高まりと無関係ではありません。小さなアイテムの紛失防止から、機密性の高い人員や貴重品の監視、車のデジタルキーから自動バレーパーキング (AVP) まで。現在、大手携帯電話メーカーや OEM、さらには業界チェーンのあらゆる側面の企業が、UWB レンジングとポジショニングを適用して、対応するイノベーションを起こすことを目指しています。
上で述べた UWB の基本機能に基づいて、UWB の応用分野は、家庭用電化製品、スマート カー、産業用アプリケーションの 3 つの主要なカテゴリに大別できます。
図 11 UWB の応用分野
► 家電分野：スマートフォン、スマートホーム、新小売、拡張現実（AR）/仮想現実（VR）、スポーツイベント。
Apple は、iPhone 11 以降のすべてのモデルに UWB チップを標準装備しています。AirPods、HomePod などにも UWB チップが内蔵されています。Apple は、新しくリリースされた VisionPro をサポートするために UWB チップをアップグレードしました。UWB はアスリートの素早い動きを追跡でき、多くのプロスポーツイベントで使用されています。
► スマートカー分野: デジタルキー、生体認証レーダー、キックレーダー、自動バレーパーキング (AVP)
デジタルキーはUWB技術を使用してリレーアタックを防止し、車両のセキュリティを向上させるほか、ボディドメインにUWBモジュールを設置することでユーザーエクスペリエンスを大幅に向上させることができ、駐車場でのUWBアプリケーションにより自動バレーパーキングを実現できるとしている。
►産業応用分野: 工場作業場、産業用ロボット、鉱山、倉庫保管、物流。
産業分野は、中国における UWB の最も初期の ToB アプリケーションです。工場や炭鉱では、UWB を使用して人員と資材を正確に位置特定し、それにより安全性と運用効率が向上しています。UWB タグはフォークリフトやツールを追跡して作業の進捗状況をリアルタイムで確認できるため、ワークフローの効率を向上させます。
シンチダについて
Shenzhen Xinchida Technology Co., Ltd. (RF-star) は、モノのインターネット向けの RF 通信ソリューションを専門とするハイテク企業で、2010 年の設立以来、米国における TI の公式認定ソリューション プロバイダーとなりました。その後、北欧の Silicon Labs から製品を次々と獲得し、Realtek や ASR など国内外の有名なチップ企業からの評価とサポートを獲得しました。同社は、BLE、Wi-Fi、UWB、Wi-SUN、LoRa、Zigbee、Thread、Matter などを含む IoT ワイヤレス モジュールとアプリケーション ソリューションを提供しています。