超広帯域（UWB）インパルス無線がWi-FiとBluetoothを凌駕する理由

インパルス無線を例に、超広帯域（UWB）技術が他の近距離無線通信技術と比較して持つ利点を検証します。

超広帯域（UWB）は、Wi-FiやBluetoothのように、非常に大きな相対的および/または絶対的な周波数帯域を使用して情報を送受信する近距離無線通信技術です。FCC規則によれば、UWBデバイスは3.1–10.6 GHz帯で無許可で運用できます（PDF）。

この記事では、UWB技術の重要な特徴のいくつかを見ていきます。

UWBは無線スペクトルを共有する

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によってすでに使用されています。例えば、以下に示すように、802.11ac（高スループットWLAN通信プロトコル）とUWBの両方が5 GHz付近の周波数帯を使用することが許可されています。

 

図1. 「ノイズフロア」以下で動作するUWBの図。ITU提供の画像

 

UWBは希少なスペクトルリソースをより効率的に活用しようとします。

UWB技術は、既存の無線システムと同じスペクトルを使用しながら、どのように干渉を引き起こさないのでしょうか？これは、UWB送信機から放射される電磁信号の電力スペクトル密度を制限することで達成されます。

FCC（米国の周波数規制当局）によれば、屋内UWB送信機の電力スペクトル密度は3.1–10.6 GHzの間で-41.3 dBm/MHz以下でなければなりません。これにより、UWBデバイスによる干渉が制限されます。

図2は、屋内UWB送信機にFCCが義務付け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。Ultra-Wideband Wireless Communications and Networks提供の画像

 

UWBはデータ転送レート、マルチパス効果への耐性、高い測距精度、低消費電力、実装の簡素性に関して利点を提供します。この技術の主要な特徴をより深く理解するために、インパルス無線と呼ばれるUWBシステムの一クラスを考えてみましょう。

インパルス無線

従来の狭帯域通信システムが連続波形を送信するのに対し、インパルス無線は超短パルス（1 ns未満）を送信して情報を伝達します。

各パルスの後、送信機は比較的長い期間「サイレント」状態を保ちます。例えば、インパルス無線は100 nsの時間間隔ごとに単一の1 nsパルスのみを送信するかもしれません。この場合、デューティサイクルは1%（パルスは送信時間の1%のみ存在）と言います。

 

図3. インパルス無線が送信する典型的なパルス列

 

これらのパルスは情報を伝えるためにさまざまな方法で変調できます。図4は、パルス位置変調とバイフェーズ変調が非変調列をどのように変化させるかを示しています。

 

図4. パルス位置変調とバイフェーズ変調が非変調列を変化させる。Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering提供の画像

 

短い時間持続は周波数領域で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、パルス持続時間に応じて、UWB送信機アンテナから広帯域信号が放射されます。

 

図5. インパルス無線が送信する信号は広い周波数帯を占有する。Time Domain Corporation提供の画像

 

送信信号の中心周波数と帯域幅の両方が、パルス幅に完全に依存します。

低消費電力

パルスが送信時間のごく小さな割合でのみ送信されるため、送信機から放射される平均電力は非常に低くなります。マイクロワットオーダーの送信電力で、UWBデバイスはバッテリ寿命を延ばせます。

高データレート

放射電力は制限されていますが、UWBは極めて広帯域のスペクトルを無許可で利用できます。これにより高データレート（>100 Mbit/s）が可能です。ただし、この高データレートは比較的短い伝送距離（10 m）でのみ達成可能です。これは、情報の1ビットあたり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、大きなスペクトラム拡散因子を用いてより長い距離をサポートできます。以下の表は、UWBと他の屋内無線通信技術のデータレートと距離を比較したものです。

 

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と比較可能な屋内無線通信技術。Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering提供のデータ

 

マルチパス効果への堅牢性

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堅牢です。送信機から受信機への電磁波伝播の直接パスに加えて、物体からの反射による別のパスがあると仮定します。

 

図6. マルチパス効果の描写

 

与えられたパスの総距離(d)を伝播するのに送信信号がかかる時間(t)は次の式で得られます：

 

d = c x t

 

ここでcは電磁波の速度で、約3×10⁸ m/sです。したがって、送信する各パルスに対して、2つのパルスが受信機入力に現れます。これは図7で、送信パルスと受信パルスを1つの図に示しています。

 

図7. 送信される各パルスに対して、2つのパルスが受信機入力に現れる。

 

この図では、2つの受信パルスは互いに重ならないため容易に識別できます。しかし、これは一般的ではありません。上記の図を調べると、2つのパス間の遅延差(t₁-t₀)がパルス幅(PW)より大きい場合にのみ、パルスは干渉しません。

UWBパルスは非常に短い持続時間を持つため、異なるパスから来るパルスが所望のパルスと干渉しにくくなります。したがって、不要な反射から発生する信号から所望信号を容易に抽出できます。これにより、UWBシステムはマルチパス効果に対してより耐性があります。あるいは、エネルギーをレイク受信機で合計することもできます。

高い測距精度

前述の通り、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らずマルチパス成分を分解できるシステムを実現できます。これは到着時間（ToA）ベースの測距推定アプリケーションにUWBを適しています。

これらの時間ベース測距スキームはUWB信号の高い時間分解能の恩恵を受けますが、独自の制限もあります。例えば、UWBパルスが非常に短いため、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はデータ転送レート、マルチパス効果への耐性、高い測距精度、低消費電力、実装の容易さといった理由で有益な近距離通信技術となり得ます。これらの理由から、多くの商用開発者は近距離無線通信（NFC）オプションの代わりにUWBを採用し、設計実装とセキュリティを強化しています。