Bluetooth LE の通信可能距離(屋内)を実測してみました

投稿者: | 2015/04/08

Measured Bluetooth LE communication distance (indoor).

一般の Bluetooth や ZigBee など(送信出力が 0〜4dBm 程度)で、なんだか数百メートル以上も飛ぶような記事やウェブ情報を見かけますが、それは屋外の見通しで、かつ周りに他の無線機器などが存在しないような非常に条件の良い環境の場合かと思います。

そこで、実際の家庭屋内などでどれくらいの通信距離が得られるものなのか、調べてみました。(人の多いオフィスや繁華街、展示会会場などではもっと条件が悪くなるものと思います。)

2015-04-08 09.50.08_ret 2015-04-08 09.52.06

理論

無線通信の通信可能距離については、以下の総務省のサイトが詳しいです。御参考ください。

ちなみに 2.4GHz 帯で 10メートル飛ばすと、自由空間損失だけで 60dB くらいあります。実際にはアンテナの利得や他の損失が影響してきます。

条件

  • 高層鉄筋コンクリートの住宅の中
  • 送信側: BLE Nano (nRF51822, チップアンテナ)
  • 受信側: Nordic nRF51-DK(チップアンテナ, キャプチャ用ファームウェア ble-sniffer_win_1.0.1)
  • 送信側ソフトウェア: nRF51 SDK 6.1.0 の ble_app_proximity を以下のように変更したもの
    • ブロードキャストの間隔は 2秒固定
    • 送信レベルは -8dBm および 4dBm の 2通り
    • Advertising のパケット長は 46バイト
  • なお、Wi-Fi のアクセスポイントが以下のように散見される場所(無線パスの中央付近にて)です。

wifi_ap_blur

結果

以下のようになりました。各条件に対して 3つの advertising チャネルにて計 180 パケット送受信した場合の平均値です。もう少し試験時間、試験回数を増やしたほうが良いかも知れません。表中の RSSI は、エラーなく受かったパケットについてです。そのため(エラーパケットを含む)全パケットを平均すると実際にはもう少し悪い値になると思いますが、御容赦ください。

ちなみに、Nordic nRF51822 の受信感度は Bluetooth LE 動作時で -93dBm(おそらく BER = 0.1%)となっています。パケット長が 46バイトですので、-93dBm の信号受信時で概ねパケットロス率 30% くらいではないかと思います。

なお TablePress を使ったのですが、見づらいかも知れません。すみません。

Tx LevelDistance (meters)Other ConditionsRSSI (dBm, average)Dropped Packet Rate
- 8 dBm10.3Indoor and Open (or Unobstructed)- 84 dBm15 %
- 8 dBm4.9Indoor and Open- 72 dBm4 %
4 dBm10.3Indoor and Open- 75 dBm0 %
4 dBm10.3Indoor and 1 wooden door in the path- 75 dBm6 %
4 dBm10.3Indoor and 1 corner in the path- 86 dBm10 %
4 dBm10.3Indoor and Open, Rotated Receiver in an Axis- 78 dBm6 %
4 dBm10.3Indoor and Open, Rotated Receiver in a different Axis- 75 dBm7 %
4 dBm10.3Indoor and Open, with Wi-Fi enabled on the Receiving PC- 75 dBm3 %

結論としては、

  • もう少し長時間のデータを取ったほうが良いようです。(^^;)
  • 出力を 4dBm くらい出せれば、一般の賃貸アパートなどの中(10メートル程度)では概ね通信できそうです。20メートルでも、見通しならばなんとか行けるかも知れません。
  • 距離が 2倍になったときに、RSSI が 12dB くらい劣化しています(自由空間損失の理論値は 6dB)。自由空間損失に加えて、周囲の物体による影響が加わっているのでしょう。
  • 電波の偏波の影響はそれほど感じられませんでした。あちこちの壁や物体で電波が反射するので、偏波が大きく変化しているのかも知れません。
  • 木製ドアなどの影響はあまりありませんでしたが、見通しでない(間に曲がり角がある)と劣化が大きいです。今回の実験では、1つの曲がり角で 10dB くらいの損失が見られました。

あまり厳密な評価ではありませんが、御容赦ください。次回は ZigBee でやってみたいと思います。