Bluetooth Core仕様のv5.1では、特に方向探知機能に関して大きな進歩を遂げました。この機能により、屋内ナビゲーションや資産追跡などのアプリケーションにとって重要な位置情報サービスの精度が向上することとなりました。

  • Bluetooth受信角度の医療分野での使用事例の需要が増加

    図1:Bluetooth受信角度の医療分野での使用事例の需要が増加

Bluetoothによる方向探知は、さまざまな機器の位置情報サービスを強化する先端技術です。受信角度(AoA)と放射角度(AoD)の2つの方法があります。

小売業のアプリケーションでは、サービス期間、最もよく使用されるルート、ホットスポット、その他の消費者行動指標などのビジネス関連KPIを生成するために、材料の流れ、設備使用率、行動パターンに関する洞察を提供するデータモデルが集中的に開発されています(図2)。

  • 小売店のフロアプラン上に視覚化された「最も使用されている」小売データの例

    図2:小売店のフロアプラン上に視覚化された「最も使用されている」小売データの例

コネクションレスおよびコネクション指向の動作モードなど、Bluetoothの方向探知方法は多用途であるため、さらに幅広いアプリケーションに対応可能であり、今後数年間で無線通信と位置情報サービスの分野に新たな展望が期待されています。

AoAの仕組みと基本的な設計原則とは？

AoA方式とAoD方式は、どちらも無線周波数信号測定の基本原理は同じですが、信号処理とアンテナ構成に対するアプローチが異なります。アンテナアレイを利用することで、デバイスはこれまで以上に高い精度で信号の方向を判断できるようになります(図3)。

  • 方向探知システムの概要(AoA構造)

    図3:方向探知システムの概要(AoA構造)

方向探知システムは、以下の要素で構成されています。

  • 送信機(AoAタグ)
  • 受信機(AoAロケータ)
  • 角度・位置処理ユニット

Bluetooth技術で採用されている方向探知技術では、送信機がコンスタントトーン拡張(CTE)信号を送信します。複数のアンテナを備えた受信機は、この信号を使って発信源の方向を決定します(図4)。

  • Bluetooth LEパケットに追加されるCTEビット

    図4:Bluetooth LEパケットに追加されるCTEビット

AoAメカニズムの主要な原理は、以下のいくつかのステップに要約することができます(図5)。

  1. タグはプライマリチャネルで拡張広告を放送することで通信を開始し、ついでセカンダリチャネルで定期的に広告を放送します。
  2. ロケータはこの拡張広告を検出し、タグと同期してCTE信号を含む定期的な広告をキャプチャするように設計されています。
  3. CTE信号はロケータによってサンプリングされ、IQサンプルと呼ばれる一連のデータが生成されます。
  4. これらのIQサンプルは角度計算機で処理され、タグとロケータ間の角度を決定します。
  5. タグと複数のロケータ間の角度がわかっていれば、システムはタグの位置を三角測量することができ、コネクションレスAoAモードで正確な位置追跡が可能になります。
  • AoA方向探知システムのデータフロー

    図5:AoA方向探知システムのデータフロー

送信機が信号を発すると、信号は送信機から光の速度で3次元方向に外側へ伝達されます。その進路は拡大する球体をなぞるように進みます。

受信角度または放射角度を計算する考えを単純化するために、2次元の直交平面でのみ考察してみましょう。このようなケースは、対象物の標高に対応する3番目の座標は関連性がないと見なされるため、現在では主に資産追跡アプリケーションで使用されます(図6)。

  • 受信角度の原理

    図6:受信角度の原理

2本の受信アンテナ間の位相差(Ψ2-Ψ1)を測定すると、それらの間の距離(d)と信号波長(λ)がわかっているため、基本的な三角法を使用して信号の角度を計算することができます。

I/Q復調は、現代の無線受信機において重要なステップです。受信した生のCTE信号からIとQのデータ成分を抽出します。すなわち、RF入力に複素位相(I成分とQ成分)を乗算し、フィルタリングとダウンサンプリングを行ってIQデータストリームを生成します(図7)。

  • IQ座標を示すグラフ

    図7:左側はIQ座標を示すグラフ。右側は4本のアンテナアレイによって測定されたIQ平面で視覚化されたタグ位置

一般的なプロセスは以下のとおりです(図8)。

  • ダウンミキシング:I/Qデータは、搬送波周波数またはその近傍の複素数フェーザ(正弦波と余弦波のペア)で乗算されます。この操作により、信号はより低い中間周波数(IF)にシフトされます。
  • ローパスフィルタリング:ダウンミキシング後、ローパスフィルタで不要な高周波成分を除去し、ベースバンド信号だけを残します。
  • デシメーション:フィルタリングされた信号は、必要な情報を保持しながらデータレートを下げるためにダウンサンプリングされます。
  • Bluetoothデバイスの無線フロントエンド内でのIQデータ復調

    図8:Bluetoothデバイスの無線フロントエンド内でのIQデータ復調

設計上の考慮事項と業界の制限

出力時に3番目の直交座標を提供する、より正確な測位システムでは、送信機と受信機の関係を3次元で示すために、少なくとも2つの角度を計算する必要があります(三角測量)。2番目の角度を取得するには、2番目のAoAロケータが必要です。この2つの角度を方位角と仰角と呼びます。

角度を測定する必要のない別の方法として三辺測量があります。これはチャネルサウンディング(Bluetooth 5.4)またはその超広帯域(UWB)バリエーションを使用したタイムオブフライト(ToF)距離測定に基づいて実装される場合がよくあります。

Bluetooth Core仕様のv5.4でリリースされたチャネルサウンディング(CS)は、Bluetoothの命名法では高精度距離測定(HADM)とも呼ばれ、RSSIベースの距離測定に対する高精度な代替手段として考えられています。CSのおかげで、すでにBluetooth Low Energyを使用しているアプリケーションは、ハードウェアに余分なコストをかけることなく、精度を向上させることができます。

  • Bluetooth LE測距技術の比較

    表1:Bluetooth LE測距技術の比較

AoA方式で信頼性の高い追跡を実現する方法

オンセミが開発した「RSL15 5.2マイクロコントローラ」は、AoA方式による信頼性の高い資産追跡を実現できます。このプロジェクトは以下の2つの部分で構成されています。

  • スキャナ:ロケータボード上で動作するble_scanner_DF_multipleアプリケーション
  • 広告主:タグボード上で動作するble_advertiser_DFアプリケーション

スキャナと広告主両方の無線心臓部は、オンセミのRSL15 5.2 SoCです。あるいは、同じオンセミ製品をベースにしたより統合的なソリューションとして、村田製作所のシステムインパッケージ「2EGデバイス」があります(図9)。

スキャナプロジェクトは、IQサンプルを取得する広告タグで送信されるCTE信号を受信する役割を担います。

これらのサンプルは、PCまたはクラウド上で動作する別のアプリケーションに送信され、スキャナと広告主の間の角度を計算します。最後に、計算された角度は直交座標に変換され、2次元または3次元にマッピングされます。

  • Bluetooth LEタグからリアルタイム位置データまでの完全なエンドツーエンドソリューション

    図9:Bluetooth LEタグからリアルタイム位置データまでの完全なエンドツーエンドソリューション

前述の両アプリケーションのサンプルコードについては、オンセミのCMSISパックで無償提供されており、Webサイトよりダウンロードできます(図10)。

  • オンセミのコネクションモードとコネクションレスモードのサンプルコード例

    図10:オンセミのコネクションモードとコネクションレスモードのサンプルコード例

オンセミの電力見積もりツールを使うと、どの通信パラメータや方式を使用すればバッテリ寿命を最大化できるか検証することができます。これにより、予想されるシステムの性能と制限に関する理論的洞察が得られます(図11)。

  • オンセミのバッテリ寿命エスティメータと方向探知メトリクス

    図11:オンセミのバッテリ寿命エスティメータと方向探知メトリクス

CoreHWは、cmレベルまでの優れた位置精度を実現する複数のフォームファクタのアンテナアレイボードを設計および供給しています。これらの量産可能なアンテナボードは、2400～2483MHzの周波数範囲にあり、最大16個のシングルエンドアンテナポートを備えています(図12)。

  • CoreHWロケータ内のオンセミRSL15 EVB

    図12:CoreHWロケータ内のオンセミRSL15 EVB

アンテナには、アンテナ選択用のCHW1010 SP16T Bluetooth AoAおよびAoDアンテナスイッチと、BLE SoC制御ボードを簡単にインタフェースできるRFおよびデジタル制御信号用コネクタが内蔵されています(図13)。

  • CoreHWのアンテナアレイ

    図13:CoreHWのアンテナアレイ

また、UnikieのBluetooth Low Energyローカリゼーションエンジンは、Bluetooth Low Energyタグのリアルタイム追跡用に設計されています。生成されたデータはエッジサーバまたはクラウドで処理できるため、柔軟性と費用対効果の両方が保証されます(図14)。さらに、このエンジンのAPIは、企業システムとのシームレスな統合を促進し、高度なデータモデリングをサポートします。これにより、マテリアルフロー、利用率、行動パターンについて理解を深めることができ、位置情報に基づくサービスと資産管理における著しい進歩を示しています。

  • Unikieの測位アプリケーション用ソフトウェアエンジン

    図14:Unikieの測位アプリケーション用ソフトウェアエンジン

結論

Bluetoothの方向探知を成功させるための重要な前提条件は、タグデバイスの寿命とコストです。オンセミは、Bluetooth SoCをこの目標に向けた大きな一歩と考えており、高い低消費電力ワイヤレス技術を妥当なコストで市場に提供することに注力しつつ、システム導入に関する知識の共有を図ることで、顧客のシステム開発の容易化を助け、日常生活の中でエンドユーザーがこの技術を活用していけるようにすることを目指しています。

参考資料

  1. Bluetooth Core Specification 5.1 Core Specification | Bluetooth® Technology Website
  2. Bluetooth Low Energy Angle of Arrival Location Solution – Tags, Receiver, Antenna, Firmware, Application Software | Bluetooth® Technology Website
  3. AND90234 - Developing a Location Finding System
  4. BLE-based Real-Time Positioning solutions - Unikie
  5. CHW1010-ANT1ProductBrief_v1.5.pdf
  6. Indoor Location System and Indoor Tracking | CoreHW
  7. Bluetooth Channel Sounding - A Step Towards 10-cm Ranging Accuracy for Secure Access, Digital Key, and Proximity ServicesBluetooth チャネルサウンディング ～セキュアアクセス、デジタルキー、近接サービスに活用できる10cm単位の測距精度へ前進～ | Bluetooth Technology Website
  8. How AoA & AoD Changed the Direction of BluetoothLocation Services | Bluetooth Technology Website
  9. “Using IoT Asset Tracking Technologies for Personal Safety Applications and Social Distancing” August 2021 - Rev. 1
  10. “Bluetooth Direction Finding, A Technical Overview” February 22, 2021 (Martin Woolley)

本記事はonsemiが「embedded」に寄稿した記事「Enhancing Indoor Location Services with Innovative Bluetooth Core Specification v5.1 Angle of Arrival (AoA)」を翻訳・改編したものとなります

Denis Zebrowski(デニス・ジェブロフスキー)

onsemi。Field Applications Systems Engineer