Appleの2020年秋カンファレンスが9月11日にジョブズシアターで開催された。

今回のカンファレンスでは、すべてのiPhoneにウルトラワイドバンド（UWB）技術をサポートするU1チップが搭載されていることが詳細に明らかになった。

公式広報によると、この新技術により Apple 携帯電話の空間認識機能が大幅に向上するとのことです。

では、空間認識とは何を意味するのでしょうか？U1 チップでは具体的に何ができるのでしょうか? UWB技術とは何ですか? これらすべてが、スマート デバイス アプリケーションのイノベーションの新たなラウンドにつながるでしょうか?

これらの質問に対する答えは次に明らかになります。

空間認識とは、方向を認識する能力であり、位置を特定する能力です。

Appleの紹介によると、U1チップを搭載したiPhoneは携帯電話の測位機能をさらに強化するとのこと。自分の携帯電話の位置だけでなく、近くにある他の携帯電話の位置も感知できます。

U1 チップが提供するスペース認識機能に基づいて、AirDrop (AirDrop は Apple デバイスが提供するワイヤレス ファイル共有機能です) を使用する場合、自分の iPhone を他の人の iPhone に向けるだけで、システムはそれを優先します (近いほど優先度が高くなります）、ファイルをより速く共有できます。

iPhone11は「近づけば近づくほど反応が早い」という応用効果を実現できます。

ポジショニングは私たち全員にとってよく知られたトピックです。私たちは位置情報やナビゲーションサービスを備えたGoogle MapやBaidu MapなどのAPPをよく使用します。

位置情報サービスは、方向を示し、安全性と制御性を高めるのに役立ち、仕事や生活に大きな利便性をもたらします。

では、UWB 技術と現在私たちが使用している測位技術との違いは何でしょうか?

現在、一般的に使用されている測位技術には、主に衛星測位と基地局測位が含まれます。

衛星測位は、人工地球衛星を利用して地点の位置を計測する技術です。そして現在、ユーザーにとって最も広く使用され、最も人気のある測位テクノロジーです。高精度、高速、低コストという特徴が非常に顕著です。

有名な衛星測位システムには、米国の全地球測位システム (GPS)、中国の北斗 (BDS)、欧州の Galileo、ロシアの GLONASS などがあります。

基地局測位の原理はレーダーと似ています。レーダー測位とは、レーダー波を発射し、物標の反射に基づいて空間位置計測を行うことです。

基地局は「レーダー」のように機能します。

通常、携帯電話は都市内の複数の基地局の信号到達範囲内にあります。携帯電話は、さまざまな基地局のダウンリンク パイロット信号を「測定」して、各基地局の信号 TOA (到着時間) または TDOA (到着時間差) を取得します。

測定結果に応じて、携帯電話の座標を基地局の座標と組み合わせて計算できます。

ここにそれを示す写真があります。

上記の測位方法にはすべて明らかな欠点があります。建物を侵入することはできず、屋内での測位も実現できません。

衛星測位では、受信機が十分な衛星信号を受信する必要があります。部屋に入ったり、遮蔽物があると、衛星信号が非常に弱く、効果的に位置を測ることができません。

屋外にいる場合、携帯電話が受信する GPS 測位信号は 15 を超えることがあります。屋内にいる場合、屋内で携帯電話が受信する GPS 測位信号は 3 未満になることがあります。

衛星の数が減ると測位誤差が10mから66mに増加することが分かります。

一方で、衛星および基地局測位技術は屋内測位のニーズを満たすことができません。一方で、地下車庫ナビゲーション、ショッピングモール内での店舗や商品の検索、さらには迷子の捜索など、屋内測位の需要も高まっています。

需要の高まりのおかげで、他のタイプのアンカー ノードを使用して測位機能を提供しようとする一連のテクノロジーが開発されました。これには、Wi-Fi、Bluetooth、UWB、その他のテクノロジーが含まれます。

UWBとは何ですか?

Wi-Fi と Bluetooth は私たちにとって大きなニュースではありません。では、UWBとは何でしょうか?

UWB は、1960 年代に登場したパルス通信技術に由来する超広帯域技術です。

一般的な通信システムは高周波搬送波を使用して狭帯域信号を変調するため、通信信号が占有する実際の帯域幅はそれほど広くありません。

UWBは従来の通信技術とは異なり、ナノ秒やマイクロ秒の大きさの極めて狭いパルスを送受信することで無線伝送を実現します。パルス時間幅が極めて短いため、スペクトル上で 500 MHz 以上の超広帯域を実現できます。

FCC (連邦通信委員会) は、3.1 GHz から 10.6 GHz までの合計 7.5 GHz を UWB に割り当てました。また、その放射電力に対して FCC Part15.209 よりも厳しい制限を課しました。UWB は -41.3 dBm 周波数帯域に制限されています。

つまり、UWB は、超広い帯域幅と低い送信電力により、低消費電力で高速データ伝送を実現します。

UWBパルスの時間幅は非常に短いため、距離測定にも高精度なタイミングを使用できます。

Wi-Fi や Bluetooth 測位テクノロジーと比較して、UWB には独自の利点があります。

• 強力な対マルチパス能力、高い測位精度。帯域幅は、マルチパス環境における信号の距離分解能を (正比例して) 決定します。UWB は広い帯域幅と強力なマルチパス分解能を備えており、マルチパス干渉信号の影響のほとんどを区別して除去し、高精度の測位結果を得ることができます。UWB は他の従来のシステムよりも距離分解能が高く、複雑な環境ではその精度が Wi-Fi や Bluetooth などの従来のシステムの 100 倍以上に達することもあります。
• 高いタイムスタンプ精度。UWB パルスの帯域幅はナノ秒です。タイミングによって位置を計算する場合、生じる誤差は通常、数センチメートル未満です。
• 強力な電磁両立性。UWB は送信電力が低く、信号帯域幅が広いため、他の種類の信号や環境ノイズをうまく隠すことができます。従来の受信機は識別して受信することができません。復調には送信機と同じ拡散符号パルスシーケンスを使用する必要があるため、他の通信サービスに干渉を引き起こすことがなく、同時に他の通信機器からの干渉も回避できます。
• 高いエネルギー効率。UWB は 500 MHz を超える RF 帯域幅を備えており、優れたスペクトル拡散利得を提供できるため、UWB 通信システムのエネルギー効率が高くなります。バッテリー駆動の機器の場合、システムの動作時間を大幅に延長でき、同じ送信電力制限の下で、カバーエリアは従来のテクノロジーよりもはるかに広くなります。UWB 送信機は通常、短距離アプリケーションでは 1 mW 未満を送信します。長距離アプリケーションでは、6.8 Mbps の通信速度を達成しながら、追加のパワーアンプなしで 200 メートルの距離に到達できます。

上記の技術的利点に基づいて、UWB は高精度の屋内測位システムを構築できます。

UWBと他の測位技術の比較

現在、一般的に使用されている UWB 測距方法は 3 つあります。

(1) ToF (飛行時間)。距離測定は、基地局とタグ間の UWB 信号の飛行時間を測定することによって実現されます。

(2) TDoA (到着時間差)。UWB 信号は、タグから各基地局までの時間差を特定するために使用されます。

(3) PDoA (到達位相差)。基地局とタグの間の方位関係は、到来角度フェーズによって測定されます。

UWB産業の発展

UWB は 2002 年以前は軍事目的で広く使用されていました。2002 年に FCC は UWB テクノロジーの禁止を解除し、民間分野への参入を許可しました。

それ以来、UWB テクノロジーは急速な発展期に入り、さまざまな技術ソリューションも UWB 国際標準の策定を巡って熾烈な競争を開始しました。

2007 年に、IEEE は 802.15.4a 規格で UWB テクノロジーを標準化しました。10 年近くの開発を経て、UWB 規格は常に改善されています。

Decawave は UWB 業界チェーンで必ず言及されるべきです。

Decawave は現在、IEEE 802.15.4 をサポートすることが知られている唯一の UWB 測位チップ メーカーです。彼らは小売価格数ドルで低コストのチップを提供しています。チップはIEEE 802.15.4-2011 UWB標準プロトコルに準拠したDW1000です（理想的な条件下での最大測定可能距離は300m）。

Appleの製品発売後、DecawaveチップDW1000をベースにした測位メーカーINTRANAVは、同社のキットがiPhone11との相互運用性をサポートしていると主張する2つのツイートを投稿し、Decawaveもそのツイートを再投稿した。これは、Apple U1 が IEEE 802.15.4 をサポートする可能性が高いことを示しています。

UWB テクノロジーに携わる他のメーカーには、Ubisense や BeSpoon などがあります。これらのメーカーは独自の UWB ソリューションを使用しており、通常はモジュール キットの形式で発売されますが、IEEE 802.15.4 をサポートするものはありません。

より優れた空間認識を実現するには、アプリケーション エコロジーのサポートが必要です。アプリケーション エコシステム全体を構築するには、さまざまなメーカーのデバイスが相互運用性と互換性を実現する必要があります。将来的には、すべてのメーカーのデバイスが IEEE 802.15.4 標準をサポートするようになることが予想されます。

UWB測位効果

現在、世界では高水準の屋内測位コンテストが3つありますが、

1) Microsoft Indoor Localization Competition (MILC)

2) 米国標準技術研究所 (NIST) が主催する PERFLoc (屋内スマートフォンの性能評価)

3) 国際屋内測位および屋内ナビゲーション会議 (IPIN)

マイクロソフトの MILC コンペティションは、高精度屋内測位技術を審査する最良の舞台として認められています。

以下は、長年にわたる MILC コンテストのインフラストラクチャ グループに基づく上位 3 つの結果のリストです。

2015年以降、UWBの利点が徐々に示され、高精度測位技術において最も有望な技術となっていることが知られています。同時に、Decawave の DW1000 は、特定の測位ソリューションにおける主流の選択肢でもあります。優勝した UWB チーム 8 チームのうち 7 チームが DW1000 を使用しました。

2018 年の大会では、非常に高性能なレーザー SLAM を使用してマップを構築し (左の写真)、このリアルタイム出力に基づいて実際の位置軌道を出力し (右)、それがゲームの評価基準として使用されました。

試合の会場はポルトガルのポルト証券取引所の宮殿で、環境は非常に複雑です。

2018 年のコンテストでは、動的精度が初めて評価されました。競技会場は非常に複雑で、結果は非常に指向的でした。このイベントで注目すべきは、米国カーネギーメロン大学のアンソニー・ロウチームだ。このチームは屋内測位の分野のリーダーです。彼らは3回トップ3に入っています。2018年には1位、2位タイとなった。

CMUアンソニー・ロウチーム

さらに重要なことは、チームが 2018 年に最初に獲得した技術的ルートは UWB + 拡張現実 (AR) であり、iPhone 11 Pro は AR と UWB の両方をサポートする最初の携帯電話となったことです。これはチームが高い技術的洞察力を持っていることを証明しています。

このほか、中国の南京ATE電子技術有限公司も注目だ。

彼らは新興チームだ。UWB市場参入から1年後の2018年大会に出場し、2位タイを獲得しました。これは今大会の国内チームのこれまでの最高順位である。

上の写真は、競技中に ATE チームが出力したリアルタイムの軌跡です。一部のエリアを除いて、ほとんどのエリアで高精度の測位座標が出力されていることがわかります。青はレーザー SLAM のリアルタイム軌道、緑の点は ATE チームが出力した軌道、赤はベクトル誤差です。

上の写真は、参加チームの平均位置取り誤差を比較したものです。ATE チームの平均測位誤差は 0.4 メートルです。

しかし、同じく UWB テクノロジーを使用している Racelogic や Russian Research Institute など、伝統的な強力なチームのいくつかは、1 メートル近く、あるいはそれよりも悪い結果しか達成できませんでした。これは2018年のレースの難しさを十分に物語っています。

まとめ

全体として、iPhone の UWB に対する包括的なサポートは、大規模な商業プロモーションにとって非常に貴重な機会です。また、UWB の上流および下流産業チェーンの発展と成熟も加速します。

5Gの登場により、あらゆるモノがインターネットになる時代に向けて加速しており、今後ますます多くのIoTデバイスやアプリケーションが登場します。UWB テクノロジーは、その特性に応じてこれらの IoT アプリケーションと密接に統合して、ユーザーにより良いサービス エクスペリエンスを提供できます。

UWB テクノロジーには、スマート ホーム、AR、モバイル決済、看護追跡、地質探査、屋内ナビゲーションなどを含む、非常に幅広い開発の見通しがあります。

関係機関の予測によると、UWB技術は将来的に屋内測位市場の30％～40％を占め、2022年には市場規模が164億ドルに達すると予想されている。

UWBの明るい未来に期待しましょう。