iOSのUWB通信用フレームワーク「Nearby Interaction」の基礎

はじめに

スマートフォンの近距離無線通信といえば、みなさん Bluetooth, Wi-Fi, NFC あたりを思い浮かべるでしょう。実はiPhoneでは、UWB（超広帯域無線)というもう一つの無線通信があることをご存知でしょうか。
iPhone11 から iPhone に標準搭載されるようになった Apple U1チップ。Apple製デバイスをUWBに対応させる専用チップで、一般向け製品に UWB が搭載された初のケースです。特に近距離の正確な位置測位に強く、他にはないポテンシャルを秘めています。
しかし、LiDARスキャナの話題性に比べ、こちらはあまり使われているアプリを見ることがありません（Apple公式の「探す」アプリくらい？）。今回はそんな UWB と、Apple の UWB 技術を簡単に使える開発者向けフレームワーク「NearbyInteraction」についてご紹介いたします。

目次

• UWBについて
  • UWBとは？
  • Bluetoothとの比較
• Nearby Interaction
  • これまでの Nearby Interaction
  • フレームワークの概要
  • 使用例

UWBについて

UWBとは？

UWB(Ultra Wide Band)

• 距離と方向が正確に取得できる、近距離の屋内位置測位技術。
  通信距離は10m程度の近距離通信
  距離と方向が正確に取得できる（誤差数十cm）

• 超広帯域の周波数幅にわたって、低電力密度の無線電波を用いて無線通信を行う技術 (500MHz ~ 数GHz)
  屋外利用は7.25-9.0 GHz, 24.25-29 GHz に限られる（2019年5月20日の総務省令）

• 標準規格 IEEE 802.15.4z（2019年）

• 消費電力が極めて少ない(2.4 mW)

• データ伝送の通信量 100 Mbps以上

• 三点測位によるリアルタイム位置測位システム（Real Time Location System：RTLS）に使われる

• AirTagにも対応。「探す」アプリで正確な位置を特定することができる。

Bluetoothとの比較

同じく近距離無線通信で広く活躍している Bluetooth (BLE) との違いは以下の通りです。

	UWB (Ultra Wide Band)	Bluetooth	Bluetooth (5.1~)
消費電力	少ない	少ない(特にBLE)	少ない(特にBLE)
通信距離	~10m程度	~10m程度	~10m程度
測距の誤差	10cm程度	1~5m程度	1~5m程度
方向の取得	可	不可	可(AoA)
測距・測位方法	ToF (Time of Flight)	RSSI (Received Signal Strength Indicator)	RSSI,AoA (Angle of Arrival)
対障害物	比較的強い	弱い	弱い
通信速度	100 Mbps以上	1 Mbps (4.0)	2 Mbps (5.0以降)
対応機種	iPhone 11~	全てのiPhone	iPhone 11~
周波数	500MHz ~ 数GHz。屋外利用は7.25-9.0 GHz, 24.25-29 GHz に限られる（2019年5月20日の総務省令）	2.4GHz帯	2.4GHz帯(日本の屋外利用)

Nearby Interaction

Apple で UWB 通信をするために iOS14で導入されたフレームワーク。

これまでの Nearby Interaction

WWDC2020での登場以来、毎年新情報が更新されています。
WWDC2020 Meet Nearby Interaction
・iPhone to iPhone
WWDC2021 Explore Nearby Interaction with third-party accessories
・iPhone to Apple Watch
・Third-party Accessories
WWDC2022 What's new in Nearby Interaction
・Enhanced NI with ARKit
・Background Sessions, Third-party Hardware

実際の動作のイメージなども、ここから動画で確認できます。

フレームワークの概要

今回は最も簡単なiPhone to iPhone をベースに説明します。

接続のステップ

iPhone to iPhone のUWB接続は、大きく分けて以下の6ステップで実行されます。

1. NISession の生成
2. delegate のセット
3. Peerデバイスと NI discovery token を共有
   ＊tokenの共有方法はNearbyInteractionは提供していないため、bluetooth接続など他の方法で共有する必要がある
   例：Multipeer Connectivity, Core Bluetooth
4. Peerデバイスから NI discovery token を受信
5. session configration の作成
6. 上記 configration でセッションを実行

Summary.swift

// 1.NISession の生成
let session = NISession()

// 2.delegate のセット
session.delegate = self

// 3.Peerデバイスと NI discovery token を共有
let myDiscoveryToken = session.discoveryToken
sendDiscoveryTokenToMyPeer(peer, myDiscoveryToken) // YOUR app's method

// 4.Peerデバイスから NI discovery token を受信
let peerDiscoveryToken = ...

// 5.session configration の作成
let config = NINearbyPeerConfigration(peerToken: peerDiscoveryToken)

// 6.上記 configration でセッションを実行
session.run(config)

NI discovery token: ランダムに生成された一時的なセッションID。セッションが存続する間は有効。
NISessionクラスのインスタンスプロパティとして呼び出せる。

セッション実行の流れ

1. NISessionでデリゲートを取得
2. 実行すると、デリゲートが近傍オブジェクトの更新データを取得
   
   余談ですが、1vsN で multiple session をする場合は、NISession までの流れを複数用意して、同一のdelegateを取得します。

NISessionクラス のよく使うインスタンスメソッド

NISession: 2 つのpeer devicies 間の一意の接続を識別する。
以下に、よく使うインスタンスメソッドの名前と引数、使用例を記載する。

open class NISession : NSObject {
    // NI discovery token
    @NSCopying var discoveryToken: NIDiscoveryToken? { get }
    // セッションで実行される構成
    @NSCopying var configuration: NIConfiguration? { get }
    // セッションの操作
    func run(_ configuration: NIConfiguration)
    func pause()
    func invalidate()
}

使用例.swift

let session = NISession()

// セッションの実行
session.run(config)
// セッションのポーズ
session.pause()
// セッションの再開
session.run(session.config)
// セッションの停止
session.invalidate()

NISessionDelegate のよく使うインスタンスメソッド

NISessionDelegate: セッションの更新を監視して対応するオブジェクト。
以下に、よく使うインスタンスメソッドの名前と引数を記載する。

// NearbyInteraction の session delegate
public protocol NISessionDelegate : NSObjectProtocol {
    //　セッションが近傍オブジェクトを更新したときに通知
    optional func session(
        _ session: NISession,
        didUpdate nearbyObjects: [NINearbyObject]
    )

    //　セッションが1つ以上の近傍オブジェクトを削除したときに通知
    optional func session(
        _ session: NISession,
        didRemove nearbyObjects: [NINearbyObject],
        reason: NINearbyObject.RemovalReason
    )

    //　中断されたセッションを通知
    optional func sessionWasSuspended(_ session: NISession)

    //　セッションの再開を通知
    optional func sessionSuspensionEnded(_ session: NISession)

    // 無効化されたセッションを通知
    optional func session(
        _ session: NISession,
        didInvalidateWith error: Error
    )
}

NINearbyObjectクラス から取得できる情報

open class NINearbyObject : NSObject, NSCopying, NSSecureCoding {
    // discovery Token
    @NSCopying var discoveryToken: NIDiscoveryToken { get }
    // 相対距離の取得
    public var distance: Float? { get }
    // 角度の取得
    public var direction: simd_float3? { get }
}

使用例

以下に、NearbyInteraction を開始するための簡単なメソッドの例を記載します。

sample.swift

    func startup() {
        // ① NISessionの生成
        session = NISession()
        
        // ② delegate のセット
        session?.delegate = self
        
        // トークン共有フラグのリセット（新規セッション開始のため）
        sharedTokenWithPeer = false

        // `connectedPeer`が存在する場合（P2P接続できている場合）、必要に応じて discovery トークンを共有
        if connectedPeer != nil && mpc != nil {
            // 接続済みの場合
            // ③ Peerデバイスと discovery token を共有
            if let myToken = session?.discoveryToken {
                updateInformationLabel(description: "Initializing ...")
                if !sharedTokenWithPeer {
                    shareMyDiscoveryToken(token: myToken)
                }
                // ④ Peerデバイスから discovery token を受信
                guard let peerToken = peerDiscoveryToken else {
                    return
                }
                // ⑤ session configration の作成
                let config = NINearbyPeerConfiguration(peerToken: peerToken)
                // ⑥ 上記 configration でセッションを実行
                session?.run(config)
            } else {
                fatalError("Unable to get self discovery token, is this session invalidated?")
            }
        } else {
            // 接続できていない場合
            updateInformationLabel(description: "Discovering Peer ...") // UIに文字列を設定
            
            // P2P通信スタートアップ（P2P通信の開始トリガー）
            // * Multipeer Connectivity フレームワークを使用 *
            startupMPC()
            
            // 距離・方向ステータスにunknownをセット
            currentDistanceDirectionState = .unknown
        }
    }

おわりに

実際にアプリを作って動かしてみて、以下のような感想を持ちました。
・距離は10m以内であれば、どのように持っていても非常に正確な値が取れる。
・角度はiPhoneの背面同士を向け合わないと、取得が難しい。

すぐに使えるサンプルコードもあるので、ぜひお手元のiPhoneにビルドして動かしてみてください。

参考

Apple公式 https://developer.apple.com/documentation/nearbyinteraction
NearbyInteractionで周囲の端末の位置を測定する