MOREBluetooth®︎スタックおよびソフトウェアソリューションプロバイダーのPacketcraftと、次世代無線システム、回路、アルゴリズムで豊富な実績を有する半導体R&DハブのIMECは、市場においてお互いを補完するソフトウェアの専門知識を持ち寄り、新たなBluetooth位置情報サービスソリューションで提携しています。この提携には、チャネルサウンディングアルゴリズムのライセンスを取得し、自社プラットフォームに移植したBluetoothチップのトップ企業3社も含まれます。Energy(LE)デバイス間の距離を高精度で推定できるようになります。その精度は非常に高く、到達角度(AoA)や信号強度(RSSI)測定などの既存の方向探知ソリューション等の技術よりも優れた精度を実現します。Bluetooth測距は、10~30cmの精度にまで到達するのでしょうか?この記事では、Bluetoothチャネルサウンディングの技術面を、公開された仕様の草案に基づいて掘り下げます。この技術によって革新され、新たにもたらされる用途について考察します。いったソリューションの共通点は何でしょうか?それはデバイスやタグをピンポイントで位置特定する機能に依拠する点です。この用途において、Bluetooth®技術は長年にわたり選ばれてきました。うってつけの技術なのです。基本的に私たちの全員が、ほぼ常に、少なくとも1台のBluetooth受信機を携帯しています。この状態は、今後しばらく変わりません。実際、最新の市場調査によると、今後数年でBluetooth®︎位置情報サービスの市場規模が大幅に拡大すると予測されています。ベースのサービスなどへの関心の高まりがあります。一方で、Bluetoothの測距精度をさらに向上させる技術の進歩によって、新たなユースケースへの扉が開かれていることも、市場拡大の推進力となっています。Bluetooth測距機能に飛躍的な進歩をもたらすとされているのが、最新の技術革新であるチャネルサウンディング(以前の呼び名は高精度距離測定、HADM)です。性能について解説します。その前に、従来の各種技術それぞれの長所と限界について見てみましょう。(RSSI)無線による最も古い距離測定(測距)技術はRSSIです。その基本原理は単純で、2台の無線デバイス間の信号(の振幅)が伝送距離によって減衰した量に基づき、デバイス間の距離を計算します。RSSIは、2台の無線受信機の間の距離を表すことができますが、その結果は大まかな推定値となります。すべてのスマートフォンで利用できる、十分に確立された技術です。RSSIの基本精度は数メートル単位と比較的低くなっており、一般的には3〜5メートル程度です。RSSIは吸収や回折などの外的要因の干渉を受けやすいため、環境にも大きく依存します。デバイスを手で持っているかどうか、という要素によっても、結果に大きな違いが生じます。複数のビーコンを使用してRF環境を特性化することで、RSSIの精度を高め、空間内のデバイスの位置を推定できるようになります。それでも、スマートロックなどの一部の用途では、より高いレベルの精度とセキュリティが必要になる可能性があります。到達角度(AoA)と発信角度(AoD)Bluetooth®︎コア仕様バージョン5.1で初めて導入されたAoAおよびAoDによるBluetooth方向検出は、RSSIから大幅な測距精度の向上を達成した初めての技術です。いずれの手法も、距離を直接測定するのではなく、無線信号の到達・発信の角度をそれぞれ推定し、三角法を使用して距離を算出します。これらのソリューションでは、複数のアンテナが必要になります。AoAは、受信側のアンテナ群に依存します。信号がアンテナに連続で到達した際における位相のシフトを捉えることで、受信信号の角度を計算します。AoDを使用すると、受信機の1台のアンテナから、送信機の特定のアンテナまでの測定を判別できるようになります。これを利用して、発信信号の角度を計算します。これを機能させるには、受信機側が送信機側のアンテナ群の設計を把握している必要があります。AoDはAoAよりも複雑なため、方向検知ではあまり使われません。AoAとAoDは1メートル未満の精度で測定できますが、現場の環境の影響が大きい技術でもあります。障害物や反射面が多い屋内では、マルチパス伝播(信号が直接的な経路だけでなく、間接的な経路を経由して受信機に到達すること)となり、測定の信頼性を損なう可能性があります。これを経て生まれたのが、高精度距離測定における最新のブレークスルーであるBluetooth®︎チャネルサウンディングです。Bluetoothチャネルサウンディングの仕組みAoAとAoDは複数のアンテナを必要とし、チップ面積の増加やマルチパス環境でのパフォーマンスといった課題が存在します。Bluetooth®︎チャネルサウンディングでは「位相ベース測距(PBR)」と呼ばれる、正確な距離推定の方法を新たに導入します。PBRでは、無線信号の位相を分析することで、2台の無線デバイス間の距離を正確に推定します。無線信号の移動時間、すなわち2台のデバイス間の距離は、基本的に位相データを使用して、正確に測定されます。位相データを測定するため、2台のデバイスは交互に協調して送受信を行います。この送受信は、異なる周波数(チャネル)で複数回にわたって繰り返されるため、屋内などで反射(マルチパス)が存在する環境でも、曖昧性を解決し測定の精度を向上させます。Bluetoothシステムアーキテクチャへのチャネルサウンディングの導入Bluetooth®︎システムにおけるチャネルサウンディングでは、72の物理チャネルで、振幅偏移変調を用いて、新たな物理層でハードウェアの変更を実装します。LE無線動作と協調して、時分割多重化されます。LEスタックを詳しく見ると、チャネルサウンディング機能の大部分が、RF/PHY層の上にあるMAC層プロトコルであるリンク層に含まれていることがわかります。アイソクロノスデータ通信、およびデータ暗号化のプロシージャを処理します。Bluetoothチャネルサウンディングでは、リンク層は以下のプロシージャを行います。2台のデバイス間でのチャネルサウンディングプロシージャのネゴシエーションと設定チャネルサウンディングの無線動作のスケジューリング各無線動作中に必要なトーン交換のためのRF/PHYレイヤー設定チャネルサウンディングのセキュリティプロシージャの管理チャネルサウンディングのプロシージャは、チャネルサウンディングイベントと呼ばれる一連の無線動作で構成されます。チャネルサウンディングイベントの間に、2台のデバイスが、距離推定の実行に用いられる情報を交換します。この情報の交換は、距離の推定に使用されるトーンと、チャネルサウンディングプロシージャの関連データを含むパケットで構成されます。チャネルサウンディングイベントはサブイベントで構成され、各サブイベントには、チャネルサウンディングに関する複数のステップが含まれます。チャネルサウンディングの各ステップでは、デバイス間で厳密に同期された一連のトーン送信が行われます。チャネルサウンディングのプロシージャをイベントとサブイベントに分割することで、チャネルサウンディングの無線アクティビティのスケジュールを柔軟に設定できるため、タイミングが重要になる他のBluetooth通信とも最適な形で共存できます。LE接続の確立から始まります。その後、デバイスはチャネルサウンディング機能を交換し、設定をネゴシエートします。チャネルサウンディングのセキュリティの有効化後に、チャネルサウンディングのプロシージャを開始できます。デバイスは、チャネルサウンディングの各サブイベントに続き、測定結果を交換します。この処理は、チャネルサウンディングのプロシージャが要求されたすべての物理チャネルについて完了するまで繰り返され、チャネル数は周波数帯域全体で最大72となります。その後、チャネルのサウンディングプロシージャは終了します。最後に、リンク層からの測定結果がデバイス内のアプリケーションに送信されます。このアプリケーションは通常、距離推定アルゴリズムを使用して、2台のデバイス間の距離を計算します。チャネルサウンディングでは、測定データから距離推定を計算するためのアルゴリズムは指定されません。そのため各企業は、各種ユースケースにぴったりと沿った開発が可能となります。目的とするユースケースに必要な推定精度と無線環境に合わせ、どのくらい複雑な計算を実施するかを調整できるのです。その選択肢の範囲は、例えば単純な位相差計算や高速フーリエ変換(FFT)ベースのアプローチから、屋内環境の厳しいマルチパスシナリオに対処するための高度な超解像アルゴリズムまで、さまざまな手法に及びます。さまざまなアプリケーションにおいて最適な選択肢です。現在、センチメートル単位またはそれ以上の高精度を実現できるのは、超広帯域(UWB)インパルス無線とToF測定を組み合わせた場合のみです。Bluetooth技術を搭載したデバイスの年間出荷台数は50億台を超えており、強力かつ広範な業界エコシステムを維持しています。そのため、多数のデバイスやセンサーが、Bluetoothチャネルサウンディング機能のもたらす新機能を迅速に活用できます。UWBでは、デバイスに新しいチップセットを追加する必要があり、コストが増加するだけでなく、別の無線機からの干渉を管理する必要性が生じます。UWBの消費電力は、共同研究の成果によって低減されてはいるものの、いまだBluetooth技術の消費電力よりも高くなっています。以上の理由から、UWBの選択が合理的なケースは、アプリケーション要件がBluetoothチャネルサウンディングの機能を超えている場合のみと言えるでしょう。競合他社を決定的に上回る位置情報技術を目指すことが、さほど意義を持たない可能性もあります。各種のあらゆるソリューションが日の目を見るような、ハイブリッド型のセットアップに向けた進化が続いています。単一のチップや製品に、複数の測距方式が組み込まれ、それぞれが目的に適した技術である場合に優先して動作するように準備されています。RSSIを使った大まかな距離推定から開始し、その後、より正確な手法による推定が行われるような形です。ジョイント角度・距離推定(JADE)を採用し、AoAとチャネルサウンディングを組み合わせることで、測距と角度の両方の情報を提供するソリューションを利用できるといった場合もあります。結論として、来るべきBluetooth®︎チャネルサウンディングの採用は、無線ベースの位置情報ソリューションに新たな時代の幕を開きます。cmに近づくにつれ、有効化または改善が予期されるアプリケーションについて、情報に裏付けられた形で推測できるようになります。革新性に溢れた業界の企業各社は、この新機能を私たちの想像すら及ばないような方法で活用し、いつの日か、誰もが当たり前に享受するような新製品やサービスをもたらすでしょう。その達成のための重要な役割を担うことこそが、私たちにとっての誇りであり、最大の喜びなのです。