Bluetoothの通信距離を決める『5つの要素』

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最近、メーカーエンジニアの方々から『Bluetoothの通信距離』に関するお問合せが増えています。そこで今回は、そもそもBluetoothはどの程度遠くまで届くのか？、その検証結果を交えながら、通信距離を決める『5つの要素』について解説します。

Bluetoothはどこまで届く？どのくらい離れても大丈夫？

Bluetoothは近距離無線通信に分類されますが、実際には長距離通信も可能です。条件が良ければ200〜300mの通信接続ができ、見通しの良い環境ではBluetooth信号が1km以上到達した実測例もあります（Nordic Semiconductor社の海岸線での実測で約1,300m）。通信距離はデバイスやモジュールの設計によって大きく変わります。

Bluetoothは『近距離無線通信』だが、意外と通信距離も飛ぶ

Bluetoothは一般的に『近距離無線通信』に分類され、実際に最もよく知られているBluetoothのユースケースも、オーディオストリーミングやウェアラブルデバイスなど、近距離無線通信での用途が多いと思います。ですが、これはBluetoothの通信距離性能に限界があるということではありません。意外と思われるかもしれませんが、実はBluetoothも長距離通信が可能です。

実際、Bluetooth信号は1km以上離れた距離へ到達したり、200-300m間での通信接続も可能です。以下はNordic Semiconductor社の実測データですが、見通しの良い海岸線沿いであれば最長距離として約1,300m離れた場所でもBluetooth信号が受信できたことが報告されています。

このような技術的進化もあり、Bluetoothはドローン分野での視覚範囲外遠隔操作など、多方面での長距離通信活用が期待されています。

Bluetoothの通信距離を決める『5つの要素』

Bluetoothの通信距離は「①送信出力 ②PHY（物理層）③レシーバー感度 ④アンテナ設計 ⑤経路損失（電波環境）」の5つの要素で決まります。①〜④は距離を伸ばす要素、⑤は距離を下げる要素です。デバイスごとにこれらの条件が異なるため、通信距離の長短も変わります。

一般的に近距離通信無線と呼ばれるBluetoothでも、なぜデバイスやモジュールによって通信距離が変わるのでしょうか？

それは、Bluetoothの通信距離を決める要素はいくつもあり、各デバイス・モジュールごとにそれら要素が異なるため、結果として通信距離の長短も変わってくるからです。

ここでは、Bluetoothの通信距離を決める5つの要素を順にご説明していきます。

①送信出力

送信出力は「声の大きさ」に例えられ、高いほど遠くへ電波が届きますが、消費電力も増えます（通信距離と消費電力はトレードオフ）。Bluetoothの送信出力範囲は-20dBm〜+20dBmで、Classという区切りでデバイスが分類されます。

まず1つ目の要素は『送信出力』です。送信出力は、例えていうなら『声の大きさ』と同じイメージです。

声が大きければ大きいほど、遠く離れた人にも聞こえますが、同時により多くのエネルギーを必要とします。Bluetoothの送信出力も同じで、送信出力が高いほど、より遠くの相手に電波が届く可能性が高まり、有効距離が長くなりますが、一方で、送信出力を上げると、デバイスの消費電力も増えてしまいます。つまり、送信出力レベルの選択は、通信距離と消費電力のトレードオフの関係にあります。

実際のデータで確認してみます。送信出力が+8 dBmと+4 dBmの消費電流を比較すると、どの動作状態においても送信出力が高い方（+8 dBm）が消費電流が大きくなるという結果が得られています（同じ1M PHYでの比較）。

Bluetoothの送信出力範囲

Bluetoothの送信出力範囲は、『-20 dBm（0.01 mW）～ +20 dBm（100 mW）』をサポートしています。その送信出力範囲に対して、Bluetoothでは規格毎にClassという区切りで各デバイスを分類しています。

②PHY

PHY（物理層）は通信距離を左右する重要な要素で、送信出力が同じでも2M PHY < 1M PHY < Coded PHY の順に距離が伸びます。長距離通信機能のCoded PHYでは、同一の+8dBmでも2M PHYより100m以上長く、300m超の通信を確認できた実測例があります。

2つ目の要素は「PHY」です。PHYとは日本語で物理層のことを指し、Bluetooth通信の構成の中でも、下部を支える重要な層になります。

前述した送信出力が同じでも、PHYが異なれば通信距離は大きく変わります。現在、BLEには3つのPHYが存在し、2M PHY < 1M PHY < Coded PHYの順に通信距離が長くなることが分かっています。

実際のデータで確認してみます。送信出力が同じ+8dBmでも、選択するPHYを変更するだけで、通信距離が100m以上異なることが分かります。BLEの長距離通信機能であるCoded PHYの場合、通信確認できた最大値が300mを超えてはいますが、2M PHYでは200mを過ぎたあたりで通信確認ができなくなっています。

③レシーバー感度

レシーバー感度は「どれだけ小さな電波を受信・解釈できるか」の指標で、受信側の感度も通信距離を伸ばす要因です。Bluetoothは選択するPHYに応じて-70dBm〜-80dBmの受信感度を達成する規定があります。

3つ目の要素は「レシーバー感度」です。Bluetoothは双方向で電波を授受する通信技術のため、受信側のレシーバー感度も通信距離を伸ばす要因となります。

レシーバー感度とは、レシーバーが解釈できる最小の受信強度を示す指標です。つまり、「どれだけよく聞こえるのか」または「最も小さな音を聞いて理解できるのか」の尺度であるとお考えください。Bluetoothは選択するPHYに応じて、最小で-70 dBmから-80 dBmの受信感度を達成できなければならないという規定もあります。

④アンテナ設計

アンテナは種類によって通信距離が大きく変わります。送受信効率は波長を捉えるアンテナ線の長さで決まり、ロッドアンテナ（大型・長距離）＞パターンアンテナ＞チップアンテナ（小型・短距離）の順。小型化と通信距離はトレードオフの関係にあります。

4つ目の要素は「アンテナ」です。アンテナの種類によってもBluetoothデバイスの通信距離が大きく変わります。

アンテナ種類	チップアンテナ	パターンアンテナ	ロッドアンテナ
通信距離	△（短い）	〇	◎（長い）
大きさ	〇（小さい）	△	×（大きい）

アンテナで重要な点が『送受信効率』です。送受信効率は波長を捉えるアンテナ線の長さで決まります。よって、外付けのロッドアンテナのように物理的に大きなアンテナの方が送受信効率が高く、長距離通信が可能になります。一方、チップアンテナのようにアンテナを物理的に小さくすることで、ハードウェア設計の柔軟性は上がりますが、肝心の通信距離はロッドアンテナと比べると短くなってしまいます。

⑤経路損失（電波環境）

経路損失（電波環境）は5要素の中で最も影響が大きい要素です。電波は金属・水分・障害物に敏感で、見通しなら200〜300m出るモジュールでも、屋内の壁越しでは数十mまで低下します。①〜④で性能を上げても、実環境での十分な検証が不可欠です。

最後の要素は『経路損失（電波環境）』です。この経路損失が一番影響が大きく、重要です。電波は周囲の金属や水分、または障害物などに対して敏感に影響を受けます。

こちらも実際の結果で確認してみます。見通しのよい直線距離では200-300mの飛距離がでるBLEモジュールであっても、屋内の壁や建物が密集する屋外では、障害物の影響を受け、壁越しで通信距離が数十mまで低下してしまうことを確認しています。

つまり、これまでご紹介した①〜④の要素は『通信距離を向上させる要素』として捉えることができますが、⑤は『通信距離を低下させる要素』です。このことから、長距離通信を実現するためには、デバイスの性能を向上させるだけではなく、いかにその実性能をいかんなく発揮できるかも重要であり、実際に無線通信の利用が想定される環境において十分な検証が不可欠であることがわかります。

よくある質問（FAQ）

Bluetoothの通信距離はどれくらいですか？

Bluetoothの通信距離は条件により幅があり、一般的な目安は10〜数十m、ベストケースでは数百m規模まで伸びます。距離は電波出力・受信感度・アンテナ・通信環境・変調方式（Coded PHY等）の5つの要因で決まります。

Bluetoothの通信距離を伸ばすにはどうすればよいですか？

主な方法は、①電波出力（Tx Power）を上げる ②Coded PHY（Long Range）を利用する ③アンテナを最適化する ④障害物の少ない通信環境を確保する、です。ただし出力には技適の上限があり、消費電力とのバランスも必要です。搭載するBluetoothモジュールの選定も距離を大きく左右します。

Bluetoothの最大距離は何メートルですか？

理論値・ベストケースでは数百m規模に達することもありますが、実際の到達距離は障害物や電波環境に大きく左右されます。屋内では壁や什器の影響で短くなり、見通しの良い屋外では大きく伸びます。用途に応じて実測での検証をおすすめします。

通信距離はアンテナで変わりますか？

変わります。アンテナの種類・配置・基板設計は受信感度と放射効率に直結し、通信距離を大きく左右します。同じモジュールでもアンテナ設計次第で到達距離が変わるため、製品設計段階での最適化が重要です。

通信距離で困った場合、相談できますか？

ムセンコネクトでは、通信距離・電波環境の課題に対し、モジュール選定・アンテナ設計・出力設定の観点からご相談に対応しています。これまで産業・医療・計測など幅広い無線化を支援してきた実務経験から、実測検証も含めてご一緒します。

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