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Bluetooth5.1の測角技術

2020.01.27

こんにちは。イーアールアイの三浦です。

最近、Bluetooth5.1について問い合わせが多くなってきています。Bluetooth5.1で追加になった機能の中で一番の目玉は『方向推定技術(Direction Finding)』です。『測角技術』と言った方がわかりやすいかもしれません。電波がどの方向から発せられたかがわかるというものです。

BLEGONIOの記事でも書きましたが、イーアールアイではBluetooth5.1がローンチする前からBluetoothを利用した測角技術に取り組んできました。BLEGONIOの仕組みはBluetooth5.1とは厳密には違うものですが、電波を利用した測角の基本的な原理は一緒です。

Direction Findingでは電波の位相を利用します。予め距離が分かっている複数のアンテナで電波を位相を観測して、アンテナ毎に位相がどうズレるかを測定します。アンテナ毎のズレ量から逆算すると、どの方向から電波が飛んできたのかがわかる仕組みになります。例えば、横に並べた複数のアンテナが同じ位相で電波を受信した場合は、垂直方向から電波が飛んできたことになります。

仕組み上、複数のアンテナが必要となることから機器サイズが大きくなってしまうことが難点です。Bluetoothの場合、2.4GHzの波長なのでアンテナは12.5cm離すことが理想的です。

Bluetooth5.1の実際

Bluetooth5.1が発表されたのが2019年1月ですので、もう1年が経とうとしています。Bluetooth SIGから発表される前からBluetooth通信ICのメーカーは開発を進めてきていた為、各社Bluetooth5.1の方向推定対応と謳った無線モジュールのハードウェアのリリースは非常に迅速でした。しかし、実際にはソフトウェアやサポート体制がついていっておらず、1年経った今でもBluetooth5.1を利用した現実的な測角製品が出てきていないのが現実です。

私達もBluetooth通信ICメーカーから測角用のSDKがリリースされるのをしばらく待っていましたが、なかなかリリースされないので、SDKを利用しない方法で無理やりソフトウェアを作って位相の測定(IQサンプリング)を試してみました。
利用したのはNordic SemiconductorのnRF52811です。送信側と受信側で2つ利用しています。送信側ではアドバタイズパケットにCTEという特殊な信号を加えて発信します。受信側ではアドバタイズパケットを受信した時に、IQサンプリングをしています。IQサンプルした結果をプロットしたものが以下の散布図です。

Bluetooth5.1を利用した製品の開発は難易度が高く、開発するための環境も出揃っているわけではありません。それでもBluetooth5.1を利用した製品開発にチャレンジしたい場合は、私達にお手伝いできることがあると思いますので、是非一度イーアールアイにご相談ください。

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