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Bluetooth 5.1 – 正確な位置と方向を探す必要があるのはなぜでしょうか?

By Eve Danel

August 9, 2021

このブログは LitePoint のイブ・ダニエル (Eve Danel) による投稿です。この投稿では、最新の Bluetooth 仕様および Bluetooth 5.1 の新しいテスト要件について説明します。

Bluetooth 5.1 – 正確な位置と方向を探す必要があるのはなぜでしょうか?

2010 年、Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE) が Bluetooth 4.0 標準として導入されました。クラシックとされる前世代の Bluetooth と比べ、Bluetooth LE は低出力で作動し、ホストデバイスの電池寿命が延長されています。2016 年、Bluetooth 5 標準の導入により、データレートが倍増し、通信可能距離が伸びました。Bluetooth 5.1 が 2019 年にリリースされ、位置トラッキングアプリケーションを可能にする方向探知拡張機能が追加されました。

Bluetooth 5.1 使用例

Bluetooth 5.1 の方向探知拡張機能では、搭載テクノロジーにより、室内作動時に GPS 同様の位置決め機能が可能になります。このタイプのテクノロジーの使用例は、アセットトラッキングから建物内の人の所在特定、室内での方向探知、オブジェクトトラッキングその他が対象となります。このように、使用例の範囲が広いことで、産業、医療、小売、歓待、企業、家庭または輸送等、ほとんどすべての垂直市場に対応可能です。

RSSI ベースの近接感知

Bluetooth は、Bluetooth ビーコンを利用した近接センサーではすでに広く多用されているテクノロジーです。この方法では、ロケーターが、ロケーターの受信機側で測定する信号の強度を示す受信信号強度 (RSSI) 値を使用して、距離を推定します。RSSI は、送信機と受信機との間の距離の推定に使用します。送信機の出力を確認することで、信号減衰を測定して対象物の場所を推定することができます。

図 1:RSSI ベースの方法

RSSI ベースの方法では環境により偏りが生じるため、可能なのは距離の概算です。例えば、送信機と受信機との間に障害物がある、大勢の人がたまっているなどで、信号が大幅に減衰され、距離推定精度が落ちます。また、位置について詳細情報がないため、RSSI 方法で検知できるのは、図 1 のとおり、デバイスが受信機を囲む円形範囲内にあることだけです。  ロケーターを複数配置し、信号三辺測量を使用して、デバイスの位置精度を高めることができますが、システムはさらに複雑になります。

到来角と発射角により精度向上

Bluetooth 5.1 は、到来角 (AoA) と発射角 (AoD) 情報を与えることで、RSSI 方法の精度を向上できます。 AoA は、可動 AoA 送信機 (例えば、携帯電話機) が単一アンテナを使用して Bluetooth LE 方向検出信号を送信し、固定型 AoA 受信機 (例えば、天井に設置のもの) に、最低 2 本のアンテナを装備したアンテナアレイが付いている、アセットトラッキング等のアプリケーションでの使用を目的としています。アレイは、アンテナ間の位相差を利用して、送信機の方向を確定するのに使用します。到来角確定は、信号の波長、アンテナと受信する信号の位相との間の距離をもとにしています。




図 2: AoA 方法

AoD は、室内ナビゲーションの方向探知等のアプリケーションで使用することを目的としています。AoD 受信機、例えば電話機は、固定型 AoD 送信機 (例えば、天井に設置したもの、すなわち、最低 2 本のアンテナがあるアンテナアレイを装備) が送信する方向探知信号を受信します。AOA と同様、角度は、信号の位相情報を使用して確定します。





図 3: AoD 方法

Bluetooth 5.1 恒常的トーン拡張 (CTE)

AoA と AoD を有効にするには、信号の位相を測定する必要があります。方向探知のため、Bluetooth 5.1 コア仕様に、16 マイクロ秒から 160 マイクロ秒の可変期間の連続ビットである恒常的トーン拡張 (CTE) フィールドを追加しています。CTE は、1 Mbps (規定) またはオプションで 2 Mbps のレートで作動する Bluetooth LE のみでサポートされています。CTE フィールドには、受信する信号位相を測定するため、定常波長の 1 つの周波数で送信が必要な一連の変調 1 ビットが含まれています。そのため、この信号は、1s または 0s の長い文字列がないようにするため、信号のスクランブル化を行うプロセスである白色化の影響は受けません。 

図 4: CTE

Bluetooth 5.1 のテスト方法

ロケーションサービス向けにテクノロジー導入を成功させるカギとなるのは、その位置をいかに高精度で測定するかです。Bluetooth 5.1 は、サブメーターレベルの精度提供を目的としています。このソリューションの評価は、システム性能の保証に重要な役割を担っています。

Bluetooth SIG は Bluetooth PHY テストを更新し、これらの新しい方向探知機能の評価を加えました。AoA および AoD 方法の送信機と受信機テスト向けに新しいテストケース、そして 1 Mbps と 2 Mbps でサポートされている Bluetooth データレートの各種組み合わせ、標準でサポートされている 1 マイクロ秒と 2 マイクロ秒切替およびサンプリング回数を導入しました。全体として、AoA および AoD を対象とするため、PHY テストに 23 の新しいテストケースを追加しました。

CTE は Bluetooth の新しいコンセプトで、テストケースは、送信機がそれを適切に生成できるように、デザインされています。受信機側では、受信機 CTE で IQ 測定を使用して、信号位相を正確に引き出すようにすることが重要です。

図 5: AoA および AoD テストセットアップ完全版

図 5 は、AoA および AoD 送信機と受信機テスト向けのテストセットアップ全体を示しています。LitePoint の IQxel-MW 7G は、新しい方向探知テストケースをサポートしています。LitePoint は、先端的な Bluetooth 5.1 チップセット向け全自動 DUT とテスター制御に対応する IQfact+ ソフトウェアパッケージも提供します。

AoA 送信機と受信機テスト

AoA 送信機 (通常はモバイル機器) では、機器は単一アンテナのみ搭載され、CTE フィールドは PDU 終端で切り替えすることなく連続送信されます。信号受信時、テスターは CTE 信号の最大ピークと平均出力、これらの送信済信号の搬送波周波数オフセットおよび搬送波ドリフトを検証します。

AoA 受信機は、複数のアンテナでスイッチが 1 つのため、さらに複雑です。そのため、テスターが送信した CTE 信号を受信した場合、受信機は、事前定義したパターンに合わせて、アレイにある複数のアンテナの間で切替を行います。切替時間は標準定義どおり、1 マイクロ秒か、2 マイクロ秒です。DUT は、標準定義どおり、割当されたサンプリングスロットの 1 マイクロ秒または 2 マイクロ秒のタイミング中に、受信した CTE のサンプリングも行います。DUT が取得した IQ サンプルは、分析のためテスターに送信され、位相測定が仕様範囲内かを確認します。

AoD 受信機と送信機テスト

AoD 受信機 (単一アンテナ搭載のモバイル機器) は、正しいサンプリングスロットで、受信した CTE 信号をサンプリングする必要があります。この検証のため、DUT が取得する IQ サンプルは、テスターに送信され、処理および分析されます。AoA 受信機テストの場合と同様、このテストでは、サンプリングからの位相値が仕様範囲内かの検証を行います。

AoD 送信機は、最小 2 本のアンテナがあるアンテナアレイを搭載しているため、送信機テストでは、CTE の適切な割当スロット中、およびアンテナアレイ内の適切な切替パターンでアンテナ切替が行われるかの検証を行います。

Bluetooth 5.1 向けの LitePoint のテストソリューションについての詳細は、IQxel-MW 7G および IQfact+ ページをご覧ください。

詳細は、Testing BT 5.1 のアプリケーションノートをダウンロードするか、このトピックに関するウェビナーの録画をダウンロードしてください。

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