ウルトラワイドバンド (UWB) とその重要性 [解説]

サムスンの新たに発表された Note 20 Ultra から、アップルの最新の iPhone 11 シリーズ（昨年発表）まで、ウルトラワイドバンド (UWB) 技術がスマートフォンに導入され始めており、メーカー（現時点では数社ですが）が自社の最上級モデルにこの技術を実装し始めています。アップルの場合、UWB の恩恵を最も受けると主張しているのは AirDrop であり、サムスンの場合は Nearby Share — Google の AirDrop に相当する機能 — であり、この技術はワイヤレスコンテンツ共有の体験を向上させることを約束しています。しかし、ウルトラワイドバンド技術とは一体何で、どのように機能し、どのようなアプリケーションがあるのでしょうか？この解説でその答えを見つけましょう。

ウルトラワイドバンド (UWB) とは？

UWB は、スマートフォンが近くのデバイスを効果的に特定し、接続を確立し、コンテンツを転送するのを助ける空間認識技術です。基本的には、短距離での使用を目的としたプロトコルであり、近くのデバイスを特定し、通信するために無線技術を使用します。これを実現するために、この技術は無線周波数スペクトルの大部分を活用し、非常に低い電力と高い帯域幅の無線波を利用してデータや情報をデバイス間で交換します。実際、ウルトラワイドバンドという名前は、プロトコルが比較的広い周波数範囲（3.1 から 10.6 GHz）に依存し、高い帯域幅（500 MHz）を持つことに由来しています。

アップルが2019年に iPhone 11 ラインアップ（U1 チップを使用）でスマートフォンに UWB を初めて実装したのは事実ですが、この技術は数十年にわたって存在してきました。そして、当初は米国軍が唯一この技術を使用する権利を持っていたため、大きく制限されていました。最終的に、2002年に連邦通信委員会 (FCC) が UWB の無許可使用を認可したことで（周波数範囲は 3.1 から 10.6 GHz）、この技術は通信、レーダー、イメージングなどの分野で実装され始めました。

スマートフォンにおけるこの技術の実装について話すと、UWB は、デバイスが小さな物理空間内で近くのデバイス/オブジェクトを発見し、より正確に特定（または通信）するのを助けるために使用されます。アップルの iPhone 11 ラインアップでは、U1 チップを使用してこの技術が採用されており、デバイスが AirDrop 経由でコンテンツを受け入れる準備ができている近くの他のデバイスを正確に検出するのを助けます。これにより、デバイス間の発見と通信が迅速かつ簡単になり、ユーザーはデバイスを指し示してコンテンツを発見し、転送することができます。

アップルと同様に、サムスンも新たにリリースされた Note 20 Ultra で同じ原則に従い、Nearby Share — Google のワイヤレスコンテンツ共有のためのネイティブビルトインユーティリティ — の体験を向上させる方法でこの技術を組み込んでいます。これにより、デバイスの発見と通信が迅速、正確、便利になります。

ウルトラワイドバンド (UWB) 技術はどのように機能するのか？

デバイスを発見し、通信するためには、ウルトラワイドバンド技術は送信機と受信機の両方を使用します。このプロセスには通常、広範な無線波スペクトルを活用し、高帯域幅（非常に低電力）でパルスを小さな周期的時間間隔で送信する UWB 送信機が含まれます。この間、受信機はこれらのパルスをキャッチし、データに変換して必要に応じてさらなる操作を行います。さらに、UWB 技術が使用されるユースケースシナリオに応じて、調整されて使用されることがあります。

2台のスマートフォン（UWB を装備）間で同様の通信が行われると、距離測定は飛行時間 (ToF) 測定を使用して行われます。簡単に言えば、ToF はパルスが2点間の距離を移動するのにかかる時間です。UWB で使用される無線波は非常に低電力（高帯域幅：500 MHz）であるため、大量のパルスをより高速で転送することが容易です。これにより、リアルタイムの位置精度が向上します。

使用される波の高帯域幅は短距離でデータを中継するのに役立ち、また高周波数は大量のデータを保持するのに役立ちますが、壁のような多くの障害物を含むかなり大きな物理空間では同じことは当てはまりません。Wi-Fi とは異なり、UWB は壁を通過する信号を効果的に貫通できないため、より良い通信と発見のためには明確な視線 (LOS) が必要です。さらに、場合によっては、範囲を拡大し、受信を向上させるために外部アンテナシステムが必要です。

ウルトラワイドバンド (UWB) は Bluetooth や Wi-Fi とどのように異なるのか？

UWB、Wi-Fi、Bluetooth のいずれの無線技術についても、リアルタイム位置システムで使用できます。これは、これらのワイヤレス技術がオブジェクトを特定したり、その近くの他のデバイスを発見したりする能力を提供することを意味します。したがって、要件やアプリケーションに応じてシステムに採用することができますが、効果の違いがそれらを大きく区別します。

Wi-Fi は、接続のための最も一般的で広く採用されているワイヤレスネットワークプロトコルの1つです。主にネットワーキングやインターネットアクセスに使用されます。Wi-Fi の異なるバージョンは異なる範囲と速度を提供し、2.4GHz と 5GHz が主に使用されているバンドです。UWB とは異なり、Wi-Fi は狭い周波数帯を使用しており、これによりはるかに低い伝送速度が許可されます。これは、UWB に対する最大の欠点の1つです。さらに、波帯は高い吸収率を持っているため、より良い接続を提供するためには明確な LOS が必要です。接続の質を決定するために使用される主要な指標は通常、信号強度であり、これはインターネット接続の場合には機能しますが、発見性に関してはそうではありません。これが、Wi-Fi が近くのオブジェクトを発見し、特定するための好ましいプロトコルでない理由です。

Wi-Fi と同様に、Bluetooth も狭い周波数帯の波に依存しているため、競合相手である UWB がパルスを放送する効率を提供しません。同様に、近くのオブジェクトを発見する際、Bluetooth は信号強度を信号品質を決定する指標として使用しますが、すでに述べたように、これは近くのオブジェクトの正確な位置を特定する最も効果的な方法ではありません。したがって、Wi-Fi と同様に、Bluetooth も近くのオブジェクトやデバイスを発見する際には UWB に劣ります。

ウルトラワイドバンド (UWB) のいくつかのアプリケーションは？

この技術は、近くのデバイスを正確に発見し、迅速かつ簡単にワイヤレスでコンテンツを転送する能力を持っているため、UWB が有益である多くのユースケースシナリオがあります。そして、場合によっては、現在使用されているプロトコルよりも優れていることもあります。

スマートフォン以外にも、技術はコンテンツ共有を助けたり、近くの他のデバイスを特定/位置決めするのに役立つことができ、UWB は拡張現実 (AR)、ナビゲーション、モバイル決済、車両アクセス、屋内ナビゲーション、資産追跡、自動車産業、医療アプリケーション、その他さまざまな目的に使用できます。

ウルトラワイドバンド (UWB) 技術は未来に何をもたらすのか？

最新のサムスンの提供物である Galaxy Note 20 Ultra からわかるように、同社はこのデバイスに UWB を実装して Nearby Share の機能を向上させています。もちろん、これは同社が現在 UWB 技術を活用するために強調している唯一のアプリケーションです。そして、おそらく他にも多くのユースケースシナリオがあるでしょう。同様に、アップルが iPhone 11 ラインアップで同じ技術を採用することで、開発者が U1 チップへの完全なアクセスを得てその力を活用し始めると、正確な位置データを利用してより良い機能（さらには新しい機能）を提供するための他のアプリケーションの可能性も開かれるでしょう。

同様に、資産追跡企業が UWB を使用してユーザーが自分の持ち物を正確に追跡し、より良い管理を行えるようにすることも見られます。医療分野のアプリケーションセクションからのいくつかのユースケースシナリオを挙げると、より良いイメージング、患者追跡、自律手術のより良い管理を提供することができます。自動車産業では、近くのオブジェクトの検出が向上し、自動運転体験が安全に向上します。UWB のアプリケーションの展望と使用範囲は非常に広く、今後数年でさまざまな業界でのさらなる発展が期待されます。