ソーシャルディスタンス用ウェアラブルに超広帯域（UWB）を選ぶ理由

ソーシャルディスタンスはCOVID-19対策の要であり、推奨される6フィート（2メートル）のバッファーが侵害されたときにユーザーに警告するウェアラブルには、正確で低レイテンシな距離測定が不可欠です。

Altranは半導体大手ルネサスと提携し、超広帯域（UWB）技術を活用したインテリジェントなリストバンドプラットフォームを構築しました。この記事では、その協力の第1フェーズ、すなわち厳格な精度、電力、サイズ、ユーザー体験要件を満たす無線プロトコルの評価を詳述します。

多くの要求を抱える小さなデバイス

目標は、ルネサスのICを中心に構築できるコンパクトなソーシャルディスタンスプラットフォームを設計することでした。低量生産のリストバンド試作機がコア機能（監視、アラート、ユーザビリティ）を実証しました（図1）。

図1. 別デバイスがユーザー指定の安全距離内に入ったときに着用者に警告するリストバンド試作機（出典：Altran）

ウェアラブルフォームファクタは、以下の基準を満たす無線ソリューションを必要としました：

• 正確な距離測定 — 信頼性の高いアラートと誤検知排除に必須
• 環境への堅牢性 — 屋内外、見通し内（LOS）および見通し外（NLOS）、動的物体がある動的環境で性能を発揮
• 低レイテンシ — 着用者が反応できる速さでアラート配信
• コンパクトさ — 無線スタックが軽量リストバンドに収まること
• 電力効率 — 継続的な近接検知しながらバッテリー寿命を維持
• 拡張性 — 混雑下で複数同時ターゲットを処理可能

すべての無線技術は、信号捕捉（時間ベース、角度ベース、受信信号強度）と測位技術（三角測量または三辺測量）の組み合わせで距離や位置を推定します（図2）。

図2: 典型的な距離/位置測定技術（出典：Altran）

無線技術の評価

Wi-Fi、セルラー、Bluetooth Low Energy（BLE）、超広帯域（UWB）を検証。公開精度データ（図3）により多くのプロトコルがユースケースから除外されましたが、それぞれに注目すべき利点がありました。

図3. 典型的無線技術の距離測定精度（出典：Altran、公開リファレンス[1]使用）

Wi-Fi

Wi-Fiの普及と最近の往復時間（RTT）改善は屋内測位で魅力的です。しかしRTTでも、典型的なRSSIベース精度は75〜85%の確率で1〜3mにしか達せず、NLOSや高反射環境で劣化します。Wi-Fiはアクセスポイントネットワークを必要とし、シームレスな屋内外移行を制限し、インフラ複雑性を増します。

BLE

BLEは低消費電力と既存スマートデバイス経由の容易な導入を提供。より高いサンプリングレートでWi-Fiより距離推定が改善されますが、高速フェージング、干渉、人体障害により実用精度は約2mに制限されます。BLE単独では、ソーシャルディスタンスアラートに必要なサブメートル精度を満たせません。

セルラー

屋外セルラー測位（A-GPS、E-CID、OTDOA）は、現在の3G/4Gネットワークで5〜10m精度 — 目標には不十分。5Gのミリ波、デバイス間通信、超密集ネットワークはサブメートル精度を約束しますが、グローバルカバレッジと屋内適用性は現時点で限定的です。

UWB

UWBは3.1〜10.6GHzで動作し、高時間領域分解能とマルチパス耐性によりセンチメートルレベルの距離精度を実現。短バーストインパルス信号でサブミリ秒レイテンシを提供し、広帯域幅が狭帯域干渉を緩和。重要なのは、UWBの高い透過性で信頼性の高いNLOS性能を発揮し、より高い動作周波数が小型アンテナを可能にすること — リストバンドにとって不可欠です。

ルネサスは、送信モードで10〜20mAを消費する低レートパルス（LRP）UWBチップセットを供給（ハイレートソリューションは100〜120mA）。IEEE 802.15.4zを活用し、LRPは超低消費電力ながら安全な往復飛行時間（ToF）レンジングをサポート。フェーズ1で、LOS/NLOS環境で20〜30cm精度を達成、さらなるチューニングで10cm目標到達が期待されます。

BLEとUWBの組み合わせにより、ターゲット検出時にUWBの精度を活用し、BLEで低消費電力近接検知とモバイルアプリへのデータオフロードを担当させました。

図4: 最適な電力と精度のためにBLEとUWB LRPを組み合わせた最終PoCプラットフォーム（出典：Altran）

ソーシャルディスタンスリストバンドへの明確な選択

Altranとルネサスは、UWBベースのプラットフォームが、信頼性の高いソーシャルディスタンスウェアラブルに必要な精度、レイテンシ、電力効率を提供することを実証しました。このアーキテクチャはリストバンドを超え、正確な屋内外測位を要求するあらゆるIoTフォームファクタに拡張可能で、接触追跡、資産追跡などにも適しています。

参考文献

[1] 無線プロトコル距離精度データ：

• Wi-Fi
• BLE
• GNSS
• Cellular
• UWB

[2] シミュレーション結果