新しいチャンネルサウンディング開発キットで精度を向上

Bluetooth チャンネルサウンディングがコア仕様 6.0の一部として採用されたとき、Bluetooth Special Interest Group (SIG) は、ほとんどのシナリオで目標精度0.5m と伝えました。この精度目標は、ほとんどのシナリオでは複数のアンテナを使用しない限り、信頼性のある精度で0.5mの精度を達成することが難しい、あるいは不可能であるため、課題が生じました。デバイス間の相対的な向き、人体、環境の障害物、さらにはマルチパス干渉がすべて合わさり、Bluetoothチャネルサウンディングによる単一アンテナの距離測定の信頼性が制限されます。

この課題は、Bluetooth チャネルサウンディングが双方向の距離測定プロセスであり、イニシエータとリフレクタの両方がトーンとパケットを順番に送受信するという事実により、さらに困難なものとなりました。両端は、特に 2 つのエンドポイント間で能力とアンテナ要件の複数の非対称性を定義するBluetooth 方向検出と比較して、その能力がかなり対称的です。Bluetooth チャネルサウンディングの対称性により、両方の通信エンドポイントは、データを正確にキャプチャし、分析し、相対距離を決定するために、互いのアンテナ機能と切り替えパターンを理解する必要があります。

他の新機能と同様、Bluetooth チャネルサウンディングの目標は相互運用性です。電話から電話、デバイスからデバイスへの接続が「問題なく機能する」ようにソリューションを標準化することで、製品設計者は世界中に展開するために必要な確信を得ることができます。複数のアンテナでこの「問題なく機能する」を実現する唯一の方法は、他のすべての Bluetooth チャンネルサウンディング手順と共にアンテナの使用を標準化することです。

この技術の他の側面は最先端かつ画期的なものと考えられていますが、Bluetooth チャンネルサウンディング用のアンテナ・スイッチングの柔軟でありながら制御された標準化も同様に重要です。この機能は、Bluetoothチャネルサウンディングが最大限の相互運用性を持ちながら、堅牢な精度を提供するという約束を実現することを保証します。

複数のアンテナで製品を設計しなければならない理由

2つのワイヤレス・デバイスは、アンテナが特定の周波数にチューニングされ、基板が環境内のすべての材料および干渉源を通して受信できる明確な視線および/または十分な電力を有するときに最も効果的に通信できるようなになります。人、床、天井、その他の RF 信号を含む壁や障壁はすべて、2 つのアンテナの通信能力に悪影響を与える可能性があります。

さらに、アンテナの相対的な向きが問題を引き起こす可能性があります。デバイス A のアンテナ方向とデバイス B のアンテナ方向は、モバイルのバッテリー駆動型IoT デバイスを使用する環境で制御または予測できるものではありません。残念ながら、配置方向によっては周波数依存の null や著しい振幅低下が発生することがあります。2つの IoT デバイスが互いに適切な角度と距離に配置されていると、通信できなくなります。

Bluetooth Low Energy (LE) 接続を介した非同期接続指向論理 (ACL) トランスポート通信では、これらの null はパケットの再試行や接続の切断を引き起こす傾向があります。Bluetooth チャネルサウンディングでは、影響がより微妙になり、PBR測定からのIQデータに歪んだ位相情報が含まれ、それが距離推定アルゴリズムに誤差を引き起こすことがあります。

複数のアンテナ方向を持つデバイスは、異なるアンテナ方向から同じチャネルの位相ベースのデータを交換できるため、チャネルを記述する歪みのないIQ データをキャプチャする可能性が高まります。

歪みのないIQデータでは距離の予測精度が高まり、エンドソリューションが改善されます。

設計では、Bluetooth チャネルサウンディング設計に 2 つ目のアンテナを追加することを常に検討する必要があります。当社のアンテナ・ガイドラインのドキュメントに記載されているよう、制約のあるフォーム・ファクタでも 2 つ目のアンテナを追加できます。EFR32xG24 Bluetooth チャネルサウンディング開発基板は、33x 33 mm 未満のフォーム・ファクタで、2つのアンテナをサポートするベストプラクティスに基づく設計例を提供します。Bluetooth チャネルサウンディング開発基板はオンボードで完全なデバッグ回路を提供するため、このフォーム・ファクタ自体は最終製品よりも大きくなります。

まず、コア仕様 6.0が実際に複数のアンテナの使用をどのように標準化したかについて、そして基板については後で説明します。

チャンネルサウンディング・アンテナのスイッチングの仕組み

Bluetooth コア仕様 6.0でアンテナ・スイッチングが標準化されている基本的な方法は 3 つあります。

• 能力交換
• モード2位相ベースの距離測定操作
• IQデータ構造交換

能力交換中、接続中の周辺機器は、使用できるアンテナの最大数とサポートできるアンテナパスの数を示す要求に応答します。アンテナパスとは、言葉通り、基板Aのアンテナが基板Bのアンテナと通信するための経路です。一部のデバイスは、基板の設計またはメモリの制限により、複数のアンテナパスをサポートできない場合があります。

手順が開始される前に、コントローラーによって構成が選択され、リフレクタに伝達されることで、アンテナパスの数とアンテナ構成が対称的に理解されます。

モード2位相ベースの距離測定でBluetoothチャネルサウンディング手順が実行されている間、イニシエータは、リフレクタによって理解されるパターンで、各アンテナパスからチャネルを通じてトーンを送信します。次に、リフレクタは、同じチャネルで同じアンテナパスのシーケンスを通じてトーンを送信します。

イニシエータで実行されている Bluetooth チャネルサウンディング・アルゴリズムは、そのチャネルに対するアンテナパス固有のすべてのIQ データを保存しますが、距離を導き出す前に、リフレクタの対応するIQ データも必要です。

LE ACL 接続で発生するリフレクタからイニシエータへのデータ取得中、IQ データは事前に定義されたデータ構造で送信する必要があります。このデータ構造は、コア仕様が更新されてから数か月後に採用された距離測定プロファイルの一部としても定義されています。

Silicon Labs はEFR32 xG24 で実行される Bluetooth チャネルサウンディング・ソリューションで、上記のすべての機能をサポートしています。当社のBluetoothスタックは、6.0要件準拠の認定を受けており、距離測定プロファイルの実装は、認定に対応しています。この機能はすべて、BRD2606 を使用して評価できます。

しかし、単一アンテナのみのデザインはどうでしょうか？

すべてのデザインがデザイン上のベストプラクティスをすべて実践できるわけではありません。基板またはコストの制約により、設計が単一アンテナのみを使用するよう強いられる場合があります。距離推定アルゴリズムの信頼性は低下する可能性がありますが、それでもこれらのデバイスはBluetooth チャネルサウンディングに適格です。デバイス Aとデバイス Bの両方が単一アンテナパスしか持たない状態で動作することは、依然として有効な設計上の選択です。

以下のテストは、反射やマルチパス干渉を引き起こすオフィス環境で実施されました。テストはBRD2606で実施されましたが、各基板で1つのアンテナのみを使用して実施され、結果として単一アンテナパスとなりました。

これらの8回の試験実行では、2つの基板が11メートル離れて配置され、1つの基板は回転させて、基板上のアンテナが共偏波または交差偏波になるようにしました。