Bluetoothの通信距離について

1キロメートル以上にも設定でき、1メートル未満にも設定できる。

Bluetoothデバイス間で信頼性を確保できる通信距離は、1キロメートル以上に渡ることもあれば、1メートルにも満たない場合もあります。

Bluetooth Range Estimatorをご利用ください

Bluetoothの通信距離はどうやって決まるのか?

「環境条件や設計内容による」というのが正確な答えです。

ほかのワイヤレス技術とは異なり、Bluetoothは2台のデバイスを多岐にわたる通信範囲でつなぐことができるように設計されています。Bluetoothの、この極めて高い柔軟性を活かして、開発者は用途に合わせた独自のワイヤレスソリューションを開発できるのです。

信頼性の高いBluetooth接続を確保できる通信距離は、いくつかの要素によって決定します。例として以下の要素が挙げられます。

電波スペクトル

電波スペクトルは30 Hz から 300 GHzまでの広範囲に渡り、周波数が低くなるほど距離は伸びます。一方で、周波数が低いほど対応し得るデータレートも低くなります。結果として、電波スペクトルの選択は通信距離とデータレートのトレードオフになるのです。

Bluetoothが使用しているのは、範囲とスループットの優れたバランスを実現する2.4 GHz ISMバンド(2400から2483.5 MHz)です。さらに2.4 GHzの周波数帯は世界中で利用できるため、低電力のワイヤレス接続において優れた規格となっています。

 

ワイヤレス技術における物理層(PHY)は、特定の無線周波数(RF)帯域のデータ送信に用いられる変調方式等の技術を規定しています。物理層には、利用可能なチャネル数やチャネルがどれくらい効果的に使用されているか、誤り訂正の使用、干渉を防ぐための「ガード」等、実に多数の規定が含まれています。無線周波数帯での通信を口頭でのコミュニケーションに例えるならば、物理層は発声の速度と明瞭さを規定すると考えられます。いずれも私たちが声を聞き取れる距離に影響します。

Bluetoothはこの物理層について、それぞれ通信距離とデータレートが異なる複数の選択肢を用意しています。

受信感度は、受信機が読み取れるもっとも弱い信号強度です。すなわち受信感度とは、受信機が無線信号を検知し、接続を維持し、データを復調できるもっとも低い電力レベルです。受信感度は、人間で言えばどれくらい小さな声を聞き取ることができ、さらに理解できるかにあたります。

Bluetoothは、デバイスの受信感度が、物理層に応じた-70 dBmから-82 dBmまでの決められた値を満たすよう義務付けています。ですがBluetoothを実装しているデバイスは、この規定よりもはるかに優れた受信感度を実現しているのが一般的です。例えば125 kbpsのBluetooth LE(Coded)の物理層は-103 dBmの受信感度を実現しています。

送信出力レベルの選択は、距離と電力消費のトレードオフになります。基本的に送信出力が高いほど信号は遠くまで届き、通信距離が伸びます。ですが、送信出力が増えるとデバイスの電力消費もまた増加します。送信出力は、私たちの声の大きさに例えられます。声が大きいほど遠くまで声は届きますが、それだけエネルギーも消費します。

Bluetoothは距離と電力消費の優れたバランスを実現する、-20 dBm(0.01 mW)から+20 dBm(100 mW)までの送信出力をサポートしています。

アンテナは送信機からの電気エネルギーを電磁エネルギー(または電波)に変換し、受信機に向けて電気エネルギーを電磁エネルギーに変換して送信します。アンテナの位置、サイズ、デザインは、送受信信号に対する効果に大きく影響します。アンテナの種類やサイズ、電気エネルギーから電磁エネルギーへの変換効率、特定方向へのエネルギー集約効率は、実に多岐にわたります。

実効アンテナ利得は、送信側と受信側、双方のアンテナが影響を及ぼします。アンテナの持つ指向性は、私たちが話したり聞いたりする際にメガホンを使って音のエネルギーを集約させる行為に似ています。

Bluetoothの設計者は、実装に際してさまざまなアンテナ関連のオプションから選択可能です。アンテナのデザインは、科学的であると同時に芸術としての側面も持ち合わせています。一般的なBluetoothデバイスのアンテナ利得は–10 dBiから+10 dBiとなっています。

伝搬損失は、電波が空中を伝播するときに起きる信号強度の低下です。電波は空気中を伝播するに従い、自然と損失や減衰が発生します。またこの損失や減衰は、信号が伝播する環境の影響を受けます。送信機と受信機のあいだに障害物があると、信号が劣化する場合があります。

湿度や降雨、壁、窓等のガラス製の障害物、木、コンクリート、金属製の塔やパネルといった、伝播を反射したり散乱したりするものは何でも減衰の原因になりえます。電波は物を透過しますが、減衰および有効伝搬損失の量は、障害物の種類と密度によって異なります。壁がコンクリート製か木製かで隣の部屋から聞こえてくる話し声の大きさ明瞭さが異なるのも一例といえるでしょう。

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