IoTにおけるBluetooth範囲に影響を与える要因とは

Bluetooth Low Energy（BLE）は、現在IoTの世界で広く議論されています。Bluetoothとは何か、そして実際にどのように機能するのかについては、ほとんどの人が十分に理解しているのではないでしょうか。他の無線技術と同様に、BLEは特定の用途に特化しています。しかし、これらの目に見えない接続の糸がどこまで届くのかは、一体何によって決まるのでしょうか？IoTでBluetoothまたはBLEの使用を検討されている方のために、Bluetoothの通信範囲に影響を与える主な要因と、それを拡張する方法をいくつかご紹介します。

Bluetoothの範囲はどのくらいですか

これらの要因について議論する前に、Bluetooth技術における「範囲」とは何かを定義しておくと役立ちます。Bluetooth範囲とは、2つのBluetooth対応デバイスが確実にデータを交換できる最大距離のことです。これは、Bluetoothヘッドフォンとスマートフォンの距離や、IoTの世界におけるBluetoothセンサーとゲートウェイの距離など、様々な距離に当てはまります。

Bluetooth SIG によれば、Bluetooth の範囲は次のとおりです。

1キロメートル以上から1メートル未満まで。

つまり、Bluetooth デバイス間の実用的かつ信頼性の高い範囲は 1 キロメートル以上から 1 メートル未満になります。

Bluetoothの範囲が狭い理由

Bluetoothの通信範囲が狭いのはバグではなく、仕様です。バッテリーを節約するため、送信電力が低い2.4GHz帯を使用しています。そのため、設計上、通信範囲が制限されています。Bluetoothはパーソナルエリアネットワーク、つまり身の回りのデバイスを接続するためのものです。この技術は周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）を採用しており、これは優れた技術ですが、通信範囲にも制限があります。

Bluetooth のような無線ベースのネットワークの特性を考えるとき、次の 3 つの重要な要素が関係してきます。

• レンジ
• データ転送速度
• 消費電力

しかし、物理法則によって明確な制限が課されるため、これら3つすべてを優先することは困難です。例えば、Bluetoothは高速データ転送を実現できますが、消費電力の増加や通信範囲の狭まりを伴うことがよくあります。

私たちが主に扱っている Bluetooth には次の 2 種類があります。 BluetoothクラシックとBluetooth Low Energy (BLE) Bluetooth Classicは、非常に高いデータレートで全方向に送信します。通常、通信範囲は約10mですが、BLEは高出力で低データレートの短いバースト送信により、最大100mまで到達可能です。

Bluetooth 5と長距離モード

2016年には、Bluetooth 5.0が発表されました。これはバージョン4.2をベースに、伝送速度が5.0倍に向上したものです。この新バージョンは、屋内測位やIoT通信により適しています。LE Coded PHYは、Bluetooth 30で導入されたBluetoothの長距離モードです。これにより、従来のBLEデバイスの範囲が約100～XNUMXメートル（XNUMX～XNUMXフィート）から最大XNUMXキロメートル（XNUMXキロメートル）まで拡張されます。

Bluetooth® Long Rangeモードでは、前方誤り訂正符号（FEC）を備えた「Coded PHY」を使用することで、出力を上げずに通信距離を延長します。ただし、データレートは500 kbpsまたは125 kbpsに低下します。

LE Coded PHY は 2 つのデータ レートを提供します。

• S2: 各ビットは500つのシンボルを使用し、データレートは1kbps（1Mの半分）に半減します。LE XNUMXM PHYと比較して、伝送距離はXNUMX倍になります。
• S8：各ビットは125つのシンボルを使用し、データレートは1kbps（8Mを1で割った値）に低下します。LE XNUMXM PHYと比較して、伝送距離はXNUMX倍になります。

コード化された PHY を使用すると、丘陵地帯では最大 1 km、アパートの建物内では数百メートルの範囲を実現できます。

IoTにおけるBluetooth範囲に影響を与える主な要因

Bluetoothネットワークの範囲は、単一の要素だけで定義されるのではなく、複数の要素の総合的な影響によって決まります。これらの要素には、技術的な要素、BLEハードウェアデバイス、信号伝送環境、コンプライアンスなどがあり、これらはBluetoothネットワークが特定の距離を越えてデータを伝送する基本的な能力を実際に定義します。

技術部門 f俳優

• 送信機電力

送信出力は、おそらく通信範囲に影響を与える最も分かりやすい要素です。簡単に言えば、送信出力が高いほど、Bluetooth信号はより遠くまで届きます。しかし、送信出力を最大に設定するだけでは十分ではありません。

IoTアプリケーション、特にバッテリー駆動のBLEデバイスを使用するアプリケーションでは、消費電力が重要な懸念事項となります。送信電力が高いほど、バッテリーの消耗が早くなる傾向があります。

• 受信感度

送信出力は大きな注目を集めますが、受信感度も同様に重要です。受信感度の高い受信機は、より弱いBluetooth信号を拾うことができ、追加の電力消費なしで効果的に通信範囲を拡大できます。近年、チップ設計の進歩により、受信感度は大幅に向上しています。

• アンテナの設計と配置

Bluetoothの通信範囲は、アンテナの設計に大きく左右されます。アンテナの種類、サイズ、向きは、信号強度と指向性に大きな影響を与えます。小型のBluetooth IoTデバイスでは、スペースの制約により、アンテナの選択肢が限られることがよくあります。通常、外部アンテナの設計の方が通信範囲が広くなります。当社の新製品MKGW7 USBゲートウェイはその好例です。

• Bluetoothのバージョンと機能

その Bluetoothのバージョン IoTデバイスで使用されるBluetoothの仕様は、通信範囲に大きな影響を与える可能性があります。5.0年に導入されたBluetooth 2016では、通信範囲が大幅に改善されました。

Bluetooth 5.0のLong Range機能は、コード化されたPHYを使用し、以前のバージョンと比較して通信距離をXNUMX倍に拡張できます。ただし、データレートは低下します。多くのIoTアプリケーションにとって、このトレードオフは十分に価値があります。

環境 f俳優

BLEデバイスが動作する環境は、Bluetoothの通信範囲に大きな影響を与えます。屋外、産業、オフィス、家庭など、使用される環境によって動作が異なります。Bluetooth SIGは、 推定範囲計算機 これにより、さまざまな環境でのパス損失などの特定の基準に関連する推定範囲を取得できます。

屋外の開けた空間では、最大数百メートルの範囲で通信が可能です。建物内では、コンクリートの壁、金属物、さらにはノイズなどの障害物によって無線信号の伝送範囲が制限されます。通常の使用では、屋内で70つのBLEデバイス間の通信範囲はXNUMXメートル程度が信頼できる推定値です。

理想的には、BLE信号はBLEビーコンアンテナから大気中を直線的に進み、スマートレシーバーに到達します。しかし、BLEビーコンと受信側の間に障害物（NLOS環境）がある場合、BLE信号は伝送中に遮断され、障害物の種類に応じて減衰が発生します。この減衰は大気による減衰よりもはるかに大きく、BLEデバイスの有効伝送範囲にさらに影響を与えます。

規制とコンプライアンスの要因

Bluetoothの通信範囲は技術仕様だけでなく、規制やコンプライアンスにも左右されます。米国のFCCや欧州のETSIなどの機関は、Bluetooth信号の強度や使用可能な周波数に制限を設けています。つまり、Bluetoothデバイスを製造する企業はこれらの規則を遵守する必要があり、それがデバイスの実際の通信範囲に影響を与える可能性があります。Bluetoothは、他の無線技術と干渉することなく動作し、無線スペクトル内で他のユーザーと共存することを目的としています。

IoTにおけるBluetooth範囲を最適化する4つの方法

BLE 範囲に影響を与える要因について説明したので、IoT 展開を最適化するための戦略をいくつか見ていきましょう。

信号を増幅する

Bluetoothの通信範囲を拡張する直接的な方法は、送信出力を上げることです。しかし、この方法はバッテリー寿命を大幅に縮める可能性があり、また、米国では最大+20dBm、EUでは+10dBmまでしか許可されていないため、地域の規制制限とのバランスを取る必要があります。こうした課題はありますが、送信出力を上げることは他の方法よりも効率的であることが多く、遅延、スループット、そしてセットアップの簡素化といったメリットがあります。特に産業環境では、3dBの増加で通信範囲を実質的にXNUMX倍にすることができます。

Bluetooth 5の長距離通信機能の使用

Bluetooth 5では、LE Long Range/CODED PHYが導入され、消費電力を増やすことなく通信距離を延長しました。これは、前方誤り訂正（FEC）技術を採用することで実現しています。FECはパケットを2回または8回繰り返すことで、長距離におけるメッセージの信頼性を向上させます。これにより通信距離は最大4倍に延長できますが、スループットが低下し、消費電力が増加します。これは、遠くにいる聴衆に向けて大声で叫ぶのではなく、言葉を繰り返すようなものです。

S2およびS8コーディング方式は、それぞれ500kbpsおよび125kbpsのデータレートを提供します。この技術を効果的に利用するには、通信する両方のBLEデバイスがCODED PHYをサポートしている必要があります。そうでない場合、メリットが得られない可能性があります。

リピーターを活用する

リピーターを導入すると、メッセージを受信・再送信することでBluetoothの通信範囲を拡張できます。この方法は、リピーターの配置を最適化できる固定デバイスネットワークで最も効果的です。しかし、このアプローチはコストがかかり、複雑になる可能性があり、追加のハードウェア、電源、設置が必要になるだけでなく、すべてのデバイスがリピーターを信頼する必要があるため、セキュリティ上の懸念が生じます。リピーターの管理には慎重な配置と設定が必要であり、交換時には再プロビジョニングが必要になる場合があります。

Bluetooth Meshネットワークの活用

Bluetoothメッシュ Bluetoothネットワークは、ネットワーク内のすべてのノードを活用することで、カバレッジを大幅に拡張します。この構成では、ネットワーク内の各デバイスが中継ポイントとして機能します。データパケットを受信すると、それが意図した受信者であるかどうかを判断し、そうでない場合は近くのデバイスに転送します。バッテリー駆動のノードは、低電力ノード機能と「フレンド」モードによって電力を節約できます。これらのモードでは、ノードはより長くスリープ状態になり、断続的にチェックインします。これは、複数の分散アンカーとゲートウェイがBluetoothデバイスとクラウドサーバーを接続する大規模なエリアや建物に最適です。マルチポイントツーマルチポイントBLEメッシュテクノロジーは、Bluetoothのネットワーク機能を大幅に強化し、高い信頼性と単一障害点の効果的な防止を提供します。

MOKO のさまざまな BLE タグ、アンカー、ゲートウェイをカスタマイズされた BLE メッシュ ソリューションに統合するための詳細な情報とガイダンスについては、当社の Bluetooth 専門家にご相談ください。

MOKOはどのように'Bluetoothデバイスのパフォーマンス

Bluetoothの通信範囲を最適化することは、単に通信距離を延ばすということではなく、よりスマートで効率的なIoTネットワークを構築し、真の価値を提供することです。大規模な資産追跡を行う場合でも、 倉庫応答性の高いスマートホーム システムを作成したり、コールド チェーン内の温度状態を監視したりする場合は、信頼性の高い BLE デバイスを選択することが成功の鍵となります。

MOKO SMARTは、IoTプロジェクトを実現する、高度で信頼性の高いBluetoothデバイスを提供することに尽力しています。 BLEビーコン 効率的なゲートウェイやスマート センサーに至るまで、お客様のニーズに応える完全な BLE 製品チェーンをご用意しています。