Nordic

チャネルサウンディングソリューション

2025.08.08

こんにちは。
加賀デバイスのNordic Teamです。

2024年9月に発表されたBluetooth規格「Bluetooth 6.0」で追加された新機能の一つが「Channel Sounding(チャネルサウンディング)」です。
本技術によりBLE無線信号(2.4GHz)を使用し2つのデバイス間の距離を測定することができます。
本コラムではチャネルサウンディングの概要とNordicが提供するソリューションをご紹介いたします。

◢◤チャネルサウンディングの測距技術
チャネルサウンディングではInitiator(イニシエーター)とReflector(リフレクター)の2つのBLEデバイス間の距離をPBRとRTTの2種類の方式で推定します。

・Initiator：自デバイスから対向デバイス(Reflecter)までの距離を算出するデバイス
・Reflector：Initiatorに応答するデバイス

◆PBR(Phase-Based Ranging：位相ベース測距)

PBRでは、InitiatorがReflectorに信号を送信し、Reflectorが信号を返します。
このプロセスは複数の周波数にわたって繰り返されます。
デバイス間の距離は、これらの周波数における送信信号と受信信号の位相差に基づいて計算します。
位相情報からの距離推定は複雑になりますが、RTTや過去にあったRSSIを使った測距と比較すると高い精度で測距することが可能です。

◆RTT(Round Trip Time：往復時間)

RTTでは、Initiatorが暗号的にスクランブルされたパケットをReflectorに送信し、Reflectorがパケットを返します。
その後、パケットの往復にかかった時間であるToF（Time of Flight：飛行時間）に基づいて、デバイス間の距離を計算します。
PBRと比較すると精度は劣りますが、時間の不可逆性によりセキュリティ面において高い安全性を確保することができます。

これらの方式から取得した、PBRのRawデータやRTTからのToFはBLEスタックの仕様の一部です。
ですがこのデータを元に距離に変換する、測距アルゴリズムはBLEスタックには含まれていない為、ユーザーにて実装する必要があります。

Nordicは無償提供しているnRF Connect SDKのサンプルソフトに独自の測距アルゴリズムを組み込んでいます。
この測距アルゴリズムにより、ユーザーそれぞれの使用環境でのチャネルサウンディングによる測距を簡単に評価することが可能です。

◢◤Nordic チャネルサウンディングソリューション

◆サポートデバイス – nRF54Lシリーズ –

チャネルサウンディングをサポートしているデバイスはNordicが昨年末にリリースした新デバイス、nRF54Lシリーズとなります。

nRF54LシリーズはBLEで定評のあるnRF52及びnRF53シリーズの後継と位置付けられ高い処理能力、低消費電力、最先端のセキュリティに対応した画期的なSoCです。

nRF54Lシリーズでは現在nRF54L15、L10、L05の3つをラインナップしています。
これら3製品の違いはメモリサイズのみ(図右下)であり、その他の機能・性能は共通となっております。

nRF54Lシリーズでの開発に関する情報については下記のコラムをご参照ください。

nRF54L15 開発導入情報

◆評価ボード(nRF54L15 Development Kit)

nRF54L15を使用したチャネルサウンディングの評価にはnRF54L15 Development Kit(通称：DK)を使用します。

nRF54L15DK上にデバッガが搭載されているのでこのボード単体でnRF54L15のすべての機能の評価が可能です。

◆ソフトウェア開発環境(nRF Connect SDK)

nRF54Lシリーズのソフトウェア開発にはnRF Connect SDKを使用します。

チャネルサウンディングのサンプルソフトもこのSDKに含まれています。
※注意：測距アルゴリズムを含むサンプルソフトはnRF Connect SDK V3.0.0で追加されました。
　　　　チャネルサウンディングの評価を行う際は必ずV3.0.0以降をご使用ください。

nRF Connect SDK V3.0.0 の環境構築およびサンプルソフト使用方法は下記のコラムをご参照ください。

nRF Connect SDK 環境構築方法(V3.0.0編)

◆チャネルサウンディング評価方法

nRF Connect SDK V3.0.0に含まれる下記2つのサンプルソフトを2台のnRF54L15DKに書き込みます。

・Initiator ：Bluetooth: Channel Sounding Initiator with Ranging Requestor
・Reflecter ：Bluetooth: Channel Sounding Reflector with Ranging Responder

Initiator サンプルソフトを書き込んだnRF54L15DKはPCとUSBケーブルで接続しターミナルソフト(Tera Term等)でLogを表示します。
Reflector サンプルソフトを書き込んだnRF54L15DKはUSBコネクタもしくは外部電源端子から電源を供給してください。

両nRF54L15DKに電源が供給されると、自動的にコネクションを行い測距が開始されます。
測距が開始されると下記のようなログデータを出力します。

赤枠の部分にm(メートル)単位で3種類の距離が表示されます。

・ifft : Nordic独自アルゴリズムによりPBRを元に算出された距離データ。
　　　　　　　　→逆高速フーリエ変換という数学的手法を用いた高マルチパス耐性により高精度。
・phase_slope : PBRを元に算出した距離データ。
　　　　　　　　→PBRのRowデータが正しく取得できている事を評価するためのものなので低精度。
・rtt : RTTを元に算出した距離データ。
　　　　　　　　→RTTのToFデータが正しく取得できている事を評価するためのものなので低精度。

phase_slope と rtt の結果に関しては、精度の補正を考慮していない生データからの算出なので距離評価用ではなく、ユーザー独自の測距アルゴリズムを組み込む際のベースとしてご使用ください。

一方で ifft はNordicの測距アルゴリズムが組み込まれているので測距評価にご使用いただけます。
また、測距アルゴリズムはソースコードで提供されているので、自由にカスタマイズ・調整頂けます。

◆チャネルサウンディングサンプルソフト実測

nRF54L15DKとサンプルソフトを用いて弊社会議室で実測してみました。
測定環境は弊社会議室で、InitiatorとReflectorの距離は200㎝で測定しました。
その他の寸法は下記のイメージ図に記載しています。