近距離無線、Bluetooth・UWB

概要

近距離無線は、数センチメートルから数十メートルの距離で機器を接続します。多くの場合、電池で動作します。その大半はWi-Fiと同じ2.4 GHz帯を共用するため、共存は後回しにできる問題ではなく、設計上の課題です。このハブでは、スマートフォン、ウェアラブル機器、トラッカー、スマートホーム製品で出会う方式群と、それぞれの無線レイヤが担う役割を扱います。製品に使う無線を選ぶエンジニア、リンクをデバッグするエンジニア、測距などの機能の背後にある仕様を読む必要があるエンジニアを対象としています。

重要な考え方

Bluetooth ClassicとBluetooth LE

Bluetoothには2種類の無線があり、どちらもBluetooth SIGが1つのCore Specificationで規定しています。本稿執筆時点でSIGの仕様ページに掲載されている最新版は6.3です。SIGの技術概要によれば、どちらも2.402〜2.480 GHzを使います。Bluetooth Classic（BR/EDR）は1 MHz間隔の79チャネルを使い、主にオーディオストリーミングに使われます。Bluetooth Low Energyは2 MHz間隔の40チャネルを使います。そのうち3チャネルがアドバタイジング用、37チャネルがデータ用で、非常に低い消費電力での動作を想定して設計されています。LEの変調方式はGFSKです。ClassicはGFSK、π/4 DQPSK、8DPSKを使います。

LEには主に3つのPHYがあります。1 Mbit/sのLE 1M、2 Mbit/sのLE 2M、500 kbit/sまたは125 kbit/sのLE Codedです。Coded PHYは伝送レートを前方誤り訂正に割り当てて、到達距離を伸ばします。SIGのCore 6.0機能概要によれば、Core Specificationのバージョン6.0でChannel Soundingが追加されました。Channel Soundingは、多数のチャネルにわたる位相ベースの測距と往復時間の計測によって、2台の機器間の距離を測ります。その仕組みはSIGのChannel Sounding技術概要で説明されています。精度は実装と環境に依存します。ベンダーが示す測距性能は、実測するまではあくまで主張として扱ってください。

UWB測距

超広帯域（UWB）無線は、広いチャネルで非常に短いパルスを送信します。FiRa Consortiumの解説によれば、チャネル幅は500 MHz、パルス幅は約2 nsです。同解説によれば、FiRa準拠機器はチャネル5〜14に対応し、チャネル9は必須です。帯域幅が広いと時間分解能が細かくなるため、UWBは測距に使われます。距離は飛行時間から求めます。飛行時間は、2台の機器間でチャレンジとレスポンスを往復させ、その時間を計測して得ます。2020年6月に承認されたIEEE 802.15.4z-2020は、拡張UWB PHYと測距のためのMACサポートを追加しました。FiRaによれば、この規格は旧来のUWB測距に対する既知の攻撃への防御をPHYレベルで提供します。CoppensらはAn Overview of UWB Standards and Organizations（IEEE Access、2022年）で、IEEE、FiRa、Appleの各方式を比較しています。

IEEE 802.15.4、Zigbee、Thread、Matter

複数のスマートホーム向けスタックが1つの無線を共有しています。Silicon LabsのZigbeeドキュメントによれば、ZigbeeはIEEE 802.15.4のMACとPHYに基づいており、Zigbee PROは2003年版を使います。CSAのZigbeeページによれば、PHYは2.4 GHz帯とサブGHz帯に対応し、ネットワークは自己修復型のメッシュを構成します。Thread Groupによれば、Threadも802.15.4のMACとPHYの上に構築されていますが、その上でIPv6を動作させます。MatterはIP上で動作するアプリケーション層です。Nordic SemiconductorのMatterページは、Matterがトランスポートにはスレッド、Wi-Fi、Ethernetを使い、コミッショニングにはBluetooth LEを使うとまとめています。

NFC

NFCは13.56 MHzで動作します。NFC Forumは技術概要で、一般的な通信距離を最大2 cmとしています。NFC Forumは、カードエミュレーション、リーダー/ライター、ピアツーピアの各動作に加え、最近では最大1 Wのワイヤレス充電についても説明しています。通信距離が短いことは特長です。タッチは意図的な操作であるため、NFCは決済、入退室管理、他の無線のペアリングに役立ちます。

どこから始めるか

所定の送信電力と受信感度から到達距離を見積もるには、無線リンクとは何かとデシベルとリンクバジェットを読んでください。デジタル変調では、BluetoothのGFSKを含む周波数偏移変調の系統を扱います。同期と推定のハブでは、測距の背後にあるタイミング推定と位相推定を説明します。長距離・低レートのリンクについては、LPWANとIoTのハブに進んでください。

代表的な開発用部品はNordicのnRF52840です。Nordicの製品ページには、Bluetooth LE、IEEE 802.15.4、Thread、Zigbeeに対応する2.4 GHzトランシーバ、+8 dBmの送信電力、64 MHzのCortex-M4、1 MBのフラッシュ、256 KBのRAMが記載されています。

ツールとプラットフォーム

プラットフォームハブ: Nordic Semiconductor、オープンソースツール。

よくある間違い

• 背後のリンクバジェットを示さずに、データシートに書かれた到達距離を引用すること。人体による損失、アンテナ配置、筐体のほうが、チップよりも大きく影響します。
• 静かなラボで試験し、2.4 GHzのWi-Fiトラフィックであふれた家庭に出荷すること。
• LE Coded PHYには代償がないと考えること。レートが低いほど送信時間が長くなり、1ビットあたりのエネルギーが増え、衝突も増えます。
• 受信信号強度を距離の測定値として扱うこと。マルチパスと人体による遮蔽のため、信頼できません。距離測定のために設計された測距方式を使ってください。
• Zigbee、Thread、Matterを混同すること。このうち2つは無線を共有し、Matterはアプリケーション層です。
• UWBの規則の確認が遅すぎること。放射制限と使用可能なチャネルは、各国の規制当局が定めます。

さらに深く

• Bluetooth SIG、Core SpecificationおよびChannel Sounding技術概要。
• IEEE、802.15.4z-2020、拡張UWB PHYと関連する測距技術。
• Coppensら、An Overview of UWB Standards and Organizations (IEEE 802.15.4, FiRa, Apple)、IEEE Access、2022年。
• Thread、Zigbee、MatterについてはThread GroupとConnectivity Standards Alliance。
• NFC Forum、NFC技術概要。

訂正

• 2026年11月15日：本ページでは、NFCは3つのモードを定義すると記載していました。NFC Forumの技術概要には、より新しい動作モードとして最大1 Wのワイヤレス充電も挙げられています。該当する文にこれを追加しました。