ワイヤレストランシーバーは、低電力、低遅延のデータ転送にUWBを使用します

超広帯域（UWB）技術は、これまでいくつかのチップ企業によってファインレンジアプリケーションの技術として提示されてきましたが、カナダのモントリオールを拠点とするスタートアップは、UWBを利用して超低遅延と超低電力を実現する独自の無線アーキテクチャを開発しました。バッテリーレスのモノのインターネット（IoT）センサーに電力を供給します。

Spark Microsystemsは、低電力UWBワイヤレストランシーバーICのSR1000シリーズの一部として2つのチップを発表しました。これにより、通信リンクの遅延が現在完全なリアルタイムの没入型ユーザーエクスペリエンスを妨げている製品向けに、新しいクラスの短距離ワイヤレス接続アプリケーションが可能になります。通常、通信時間が数ミリ秒で数十ミリ秒の顕著な遅延が発生するBluetooth Low Energy（BLE）と比較すると、SR1000UWBトランシーバーはわずか50µsで1 kbのデータを送信できるため、広範囲でワイヤレス遅延が大幅に短縮されます。オーディオストリーミングなどのアプリケーションの

Sparkトランシーバーの消費電力（通常は1nJ /ビット）もBLEよりも大幅に低く、1Mbpsで動作している場合は通常40分の1です。 SR1000シリーズの10Mbps機能は、BLEの最大10倍のデータ転送速度を備えており、高帯域幅の低遅延リンクが不可欠なビデオストリーミングなどのコンテンツが豊富なアプリケーションに適しています。

これにより、ゲーム周辺機器やオーディオおよびAR / VRヘッドセットなどの製品の要件に対応できます。そうでない場合は、電力と遅延の目標を達成するために配線する必要があります。また、スマートホームデバイスとバッテリーレスのモノのインターネット（IoT）センサーの電力、遅延、データストリーミングの要件にも対応しています。

混雑した認可された無線スペクトル内で動作する他の無線プロトコルとは異なり、SR1000 UWBシリーズは、通常-41.3 dBm / MHzの広いスペクトルの低電力密度を使用して、認可されていない3.1 GHz〜10.6GHzの周波数範囲で動作します。他の受信機にノイズとして認識される可能性のあるレベルで送信するUWBワイドスペクトルアプローチは、ワイヤレスの共存を大幅に支援し、リンクパフォーマンス特性をさらに強化します。

キャリア周波数ではなく短時間のインパルスを使用するラジオ
SparkMicrosystemsの共同創設者兼CTOであるFredericNabkiは、embedded.comに、電力と遅延の目標をどのように達成するかを説明しました。彼は、Bluetooth、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave、さらには5Gなどのテクノロジーはすべて、データを送信するために変調された搬送波周波数を使用すると述べました。これらのキャリアは、起動して安定させるのにかなりの時間を必要とし、それらが同相で良好な相特性を持っていることを保証するために複雑なハードウェアを必要とします。その結果、維持するにはかなりの電力が必要になります。

Sparkはそれを別の方向に進めました。キャリアの代わりに、その無線は2nsパルスを生成する時間インパルスを使用します。キャリア自体は方程式の一部ではないため、そのキャリアにサービスを提供する必要はありません。それは、そのキャリアを管理するための長い起動時間や複雑な回路がないことを意味すると彼は言いました。これにより、パルスの幅が2nsしかないため、起動時間が短縮され、データ送信が高速化されます。つまり、パルスを非常に高速に繰り返すことができ、同期も高速化できます。短時間のインパルスを生成する必要があることの副産物は、Spark無線が非常に広い帯域幅を必要とし、インパルスを使用して通信することです。

ナブキ氏によると、課題は、送信機と受信機をマイクロ秒の時間枠でオンとオフにして、インパルスが可能にする迅速なアクションを活用する方法にあるとのことです。彼は次のようにコメントしています。「迅速に行動できるため、無線機を積極的にデューティサイクルできますが、送信機と受信機がある場合、たとえば50µsごとにオンとオフを切り替える場合、これら2つの無線機の同期をどのように維持しますか。その問題を解決するための技術を考え出す必要がありました。そして最後に、同期だけでなく、システムのタイミングを維持するにはどうすればよいでしょうか？」

すべてのワイヤレスラジオには、同期を維持するだけでなく、搬送周波数を処理するのに十分な精度のタイムベースを提供するために、水晶振動子が必要です。 「私たちの場合、UWBテクノロジーを活用して、32 kHzの水晶振動子である非常に低電力のタイマーから実行できるようにするために非常に努力しました。これは、基本的に時計に搭載されているものであり、非常に低コストで非常に低電力です。これは、トランシーバーの電力を削減するだけでなく、システムレベルで電力を削減するために行った選択です。」

Nabkiは、Sparkトランシーバーが他の無線機とどのように共存するかについても説明しました。 「Wi-Fi、Bluetooth、Zigbeeが2.4GHzを便乗していることは誰もが知っていますが、その帯域は本当に混雑しています。 5GHz帯も非常に混雑しています。 Spark UWBは、3.1 GHz〜10.6GHzで動作します。無料で使用できるため、スペクトルのライセンスを取得する必要がないため、Bluetooth、Zigbee、Wi-Fiと同じ利点があります。ただし、Spark無線が送信する電力を見ると、Wi-Fi無線の約1,000分の1、Bluetooth無線の約100分の1であるため、EMI（電磁干渉）と放射ははるかに低くなっています。これは、他のラジオとの共存を改善できることを意味します。つまり、これらの他のラジオでは、ノイズレベルとして認識され、実際には見えず、感度を下回っています。」

重要なことに、これまでのUWB無線のアキレス腱は帯域内の干渉に敏感でした。したがって、Nabki氏は、Sparkは、Wi-Fiおよびセルラー帯域からの狭帯域干渉の影響を受けないようにする独自の拒否および緩和メカニズムを開発したと述べました。 「Wi-FiがWi-Fi6などでUWBスペクトルにますます侵入し始め、準備が整うにつれて、これがシステムの重要な特性になると確信しています。」

Sparkは、トランシーバーのみの2つの製品を開発しました。 Nabki氏は、CPUコアを搭載するには追加のエンジニアリング作業が必要であり、その目標は主に市場に早く参入することであると説明しました。 「回路はバッテリーで駆動でき、DC-DCコンバーターは必要ありません。すべてがオンチップです。 32kHzの水晶を除いて、外部には何も必要ありません。プロトコルを実行するマイクロコントローラーオフチップが必要です。ロードマップでは、最終的には第2世代製品のチップにMCUを搭載する予定です。」

UWBは単なるポジショニングではなく、低遅延、低電力のデータ転送に関するものです
Nabkiは、彼と彼の共同創設者が約10年前にUWBを使い始めたとき、彼らの目標はポジショニングではなかったと説明しました。 「これはすばらしい機能だと思いましたが、UWBはそれだけではありません。超低電力、超低遅延の通信を可能にします。数マイクロワットの電力で低遅延で通信でき、WiFiと共存できます。私たちにとって、レンジングはそこにあり、他の人よりもはるかに低い電力でそれを行うことができますが、それは必ずしも最高の約束ではありません。最も有望なのは、超低遅延と超低電力通信によるデータ転送です。」

彼は、Sparkのラジオは独自仕様であり、まだ標準ではありませんが、標準になることを望んでいると述べました。 「人々が今日UWB標準を行った方法は、レンジングに焦点を合わせてから、自分自身に問いかけました。現在のワイヤレスアーキテクチャに基づいてUWB無線を行うにはどうすればよいですか。その結果、彼らは低コストではなく、多くの電力を消費する非常に大きなRFマシンになりました。そのため、ほとんどの自動車メーカーがハイエンド車用にUWBテクノロジーを予約していると聞いています。 Sparkが行ったことは非常に異なっていました。白紙の状態から始めました。」

彼は、レンジングはSparkのトランシーバーが実行できる機能の1つであると述べましたが、レンジングと通信を組み合わせたより幅広い潜在的なアプリケーションがあります。さらに、低データレートと高データレートの低遅延通信を可能にします。彼はさらに次のように付け加えました。数マイクロワットの電力で健全なデータレートでデータを継続的にストリーミングするシステムを持つことはできません。オーディオストリーミングデバイスの消費電力を削減するなど、従来のシステムをより適切に実行できます。」

Sparkが他のUWBベースのデバイスと共通している唯一の要因は、同じスペクトルの使用です。 「残りはコアから実際に再設計されており、パーソナルエリアネットワーク、ボディエリアネットワーク、IoTスペースに次世代のワイヤレス接続を提供します。」

SparkMicrosystemsのCEOであるFaresMubarakはさらに説明しました。 「消費電力に関しては、Bluetooth LowEnergyの約40分の1です。 Bluetooth 5.1および5.2が進歩している場合でも、Bluetooth5.2と比較すると20倍優れています。レイテンシーは60分の1です。私たちのレイテンシーは本来低くなっています。 1kbのデータ伝送で50µsの通信時間を実現できます。しかし、それらに加えて、1桁高いデータ伝送速度を達成することができます。 EMI（電磁干渉）が2桁低く、超広帯域無線機であるため、非常に低い電力で無線機の範囲全体で30cmの精度を実現できる飛行時間測位を実現できます。」

Mubarakは、UWBデバイスの現在の市場について、次のようにコメントしています。彼らは10cmの精度を主張していますが、それは非常に高い電力です。おそらく、電力を引き起こしている802.15.4z標準で使用しているアーキテクチャが原因です。」

それに比べて、Sparkトランシーバーは30cmの精度を実現し、電力は2桁近く低くなると彼は述べています。 「そして私たちの次世代も、低電力で10cmに達することができます。現在のUWBとは大きく異なり、電力面で大きなメリットがあります。私たちはウェイクアップラジオになることができます。今日のほとんどのワイヤレスは高電力であるため、非常に低電力のウェイクアップ無線が必要です。これは特にUWBの場合で、MCUとラジオをウェイクアップします。」

ゲーム、オーディオ、スマートホームを目指す
ムバラク氏によると、同社の現在の目標は、特にゲーム、オーディオ、ゲームのハブにおいて、消費者分野でのテクノロジーの検証を迅速に達成することです。彼はゲームについていくつかの見方をしました。 「今日、これらのイヤフォンで圧縮オーディオを見ると、200ミリ秒近くの遅延が発生します。 5ミリ秒未満の遅延を伴う高忠実度のオーディオを実証しました。完全に非圧縮。応答性がゲームの鍵となるマウスやキーボードの周辺機器では、サブミリ秒の遅延が実証されています。遅延は1/4ミリ秒（250 µs）にまで低下する可能性があります。」

スマートホームの場合、スマートアシスタントは音声と制御の観点から重要なターゲットです。ムバラク氏は、その分野で起こっている市場リーダーとのかなりの数の評価があると主張している。セキュリティセンサー、特にホームセキュリティの場合、メンテナンスの60％は、センサーの電池切れを交換する必要があると彼は言いました。したがって、Sparkの目標は、動きの検出に必要な低データレートのセンサー、屋内照明で電力を供給できる窓やドアのセンサーに、信頼性の高いバッテリーレスセンサーノードを有効にすることです。

自動車では、ムバラク氏は、タイヤ空気圧監視システムと10年以上のバッテリー寿命を持つリモートキーフォブの超低電力需要を満たすために、概念実証のためのNREプロジェクトを実施したと述べました。

SPARK Microsystems SR1000シリーズは、異なる地域のスペクトル割り当てに対応するために、ピンが同一の2つの製品バリエーションで構成されています。3.1GHz〜6 GHz用のSR1010と、6 GHz〜9.5GHz用のSR1020です。 SR1000シリーズは、低エミッション、低電力、低遅延の対称データリンクのプロビジョニングに加えて、さまざまな測距および測位アプリケーションにも使用できます。 SR1000シリーズのさまざまな評価ツール、開発ボード、およびアプリケーション固有のリファレンスデザインが利用可能であり、初期デザインのラピッドプロトタイピングに役立ちます。