インパルス無線による超広帯域システムの利点の評価

例としてインパルス無線を使用して、他の短距離無線通信技術と比較した超広帯域（UWB）技術の利点を調べます。

超広帯域（UWB）は、Wi-FiやBluetoothなどの短距離無線通信技術であり、非常に広い相対周波数帯域や絶対周波数帯域を使用して情報を送受信します。 FCC規制によると、UWBデバイスはライセンスなしで3.1〜10.6 GHz帯域で動作できます（PDF）。

この記事では、UWBテクノロジーの重要な特性のいくつかを見ていきます。

UWBは電波スペクトルを共有します

UWBに割り当てられた周波数範囲の一部は、既存の通信システムですでに使用されています。たとえば、以下に示すように、802.11ac（高スループットのWLAN通信プロトコル）とUWBの両方で、5GHz付近の周波数帯域を使用できます。

図1。 「ノイズフロア」の下で動作するUWBの図。 ITUの厚意により使用された画像

UWBは、不足しているスペクトルリソースをより効率的に利用しようとします。

UWBテクノロジーは、干渉を引き起こすことなく、既存のワイヤレスシステムと同じスペクトルをどのように使用できますか？これは、UWB送信機から放出される電磁信号のパワースペクトル密度を制限することによって実現されます。

FCC（米国の周波数レギュレータ）によると、屋内UWB送信機のパワースペクトル密度は、3.1〜10.6GHzの間で-41.3dBm / MHz未満である必要があります。これにより、UWBデバイスによって引き起こされる干渉が制限されます。

図2は、屋内UWB送信機用にFCCによって義務付けられているスペクトルマスクを示しています。

図2。 屋内UWB送信機のスペクトルマスク。超広帯域無線通信およびネットワークの厚意により使用された画像

UWBは、データ転送速度、マルチパス効果に対する耐性、高い測距精度、低消費電力、および実装の単純さに関して利点を提供します。このテクノロジーの主要な機能についてより良い洞察を得るために、インパルス無線と呼ばれるUWBシステムのクラスを考えてみましょう。

インパルスラジオ

従来の狭帯域通信システムは連続波形を送信しますが、インパルス無線は情報を通信するために超短持続パルス（1 ns未満）を送信します。

各パルスの後、送信機は比較的長期間「サイレント」のままです。たとえば、インパルス無線は、100nsの時間間隔ごとに1nsのパルスを1つだけ送信する場合があります。この場合、デューティサイクルは1％であると言います（パルスは送信時間の1％しか存在しません）。

図3。 インパルスラジオによって送信される典型的なパルスシーケンス

これらのパルスは、情報を伝達するためにさまざまな方法で変調できます。下の図4は、パルス位置変調と二相変調が変調されていないシーケンスをどのように変化させるかを示しています。

図4。 パルス位置と二相変調は、変調されていないシーケンスを変更します。通信工学における超広帯域信号およびシステムの好意により使用された画像

短い持続時間は、周波数領域の広い帯域幅に対応することに注意してください。したがって、信号の持続時間に応じて、広帯域信号がUWB送信機アンテナから放射されます。

図5。 インパルス無線によって送信される信号は、広い周波数帯域を占有します。画像はTimeDomainCorporationの厚意により使用されました

送信信号の中心周波数と帯域幅は、パルスの幅に完全に依存します。

低消費電力

パルスは送信時間のごく一部の間だけ送信されるため、送信機から放出される平均電力は非常に低くなります。マイクロワットのオーダーの送信電力を持つUWBデバイスは、バッテリーの寿命を延ばすことができます。

高いデータレート

放射電力は制限されていますが、UWBは非常に広帯域のスペクトルの無許可の使用を可能にします。これにより、高いデータレート（> 100Mbit / s）を実現できます。ただし、この高いデータレートは、10mという比較的短い伝送距離でしか実現できません。これは、情報の各ビットに対して非常に低い電力しか放出されないためです。

より低いデータレート（<1 Mbit / s）では、より長い距離をサポートするために大きな拡散係数を使用できます。次の表は、UWBのデータレートと範囲を他の屋内無線通信技術と比較しています。

システム	最大データレート（Mbps）	伝送距離（m）
UWB	100	10
IEEE 802.11a	54	50
Bluetooth	1	10
IEEE 802.11b	11	100

UWBと同等の屋内無線通信技術。通信工学における超広帯域信号およびシステムの厚意により使用されたデータ

マルチパス効果に対する堅牢性

UWB信号は、従来の無線技術よりもマルチパス効果に対してより堅牢です。送信機から受信機への電磁波伝搬の直接経路に加えて、物体からの反射によって引き起こされる別の経路があると仮定します。

図6。 マルチパス効果の描写

送信信号が特定のパスの合計距離（d）を移動するのにかかる時間（t）は、次の式で求めることができます。

d =c x t

ここで、cは約3✕10 ⁸ の電磁波の速度を示します。 MS。したがって、送信するパルスごとに、2つのパルスが受信機の入力に現れます。これを図7に示します。この図では、送信パルスと受信パルスが1つの図に示されています。

図7。 送信されるパルスごとに、2つのパルスが受信機の入力に現れます。

この図では、2つの受信パルスは互いにオーバーラップしていないため、簡単に認識できます。ただし、これは一般的には当てはまりません。上の図を調べると、2つのパス間の遅延差（t ₁ ）の場合にのみ、パルスが干渉しないことがわかります。 -t ₀ ）がパルス幅（PW）よりも大きい。

UWBパルスの持続時間は非常に短いため、さまざまなパスからのパルスが目的のパルスに干渉しない可能性が高くなります。したがって、不要な反射から発生する信号から目的の信号を簡単に抽出できます。これにより、UWBシステムはマルチパス効果に対する耐性が高まります。あるいは、エネルギーはレーキ受信機によって合計することができます。

高精度

上で説明したように、UWB信号の鋭い時間分解能により、複雑なアルゴリズムに頼ることなくマルチパスコンポーネントを解決できるシステムを実現できます。これにより、UWBは到着時間（ToA）ベースの距離推定アプリケーションに適しています。

これらのタイムベースレンジングスキームは、UWB信号の高い時間分解能の恩恵を受けますが、独自の制限があることに注意してください。たとえば、UWBパルスの持続時間は非常に短いため、クロックジッタが制限要因になります。

結論

インパルス無線で見たように、UWBは、そのデータ転送速度、マルチパス効果に対する耐性、高い測距精度、低消費電力、および実装の容易さのために、有益な短距離通信技術になる可能性があります。これらの理由から、多くの商用開発者は、設計の実装とセキュリティを強化するために、近距離無線通信（NFC）オプションではなくUWBに目を向けています。