# 学校行事におけるBLE(Bluetooth Low Energy)無線通信技術を用いたリアルタイム位置情報推定システム

## 研究動機

私の学校では、毎年清陵祭などの学校行事を企画、運営している。昨年度の清陵祭では昨今の新型コロナによる入場制限、密を避けるための取り組みや、QRコードによる各会場の入退室管理など、様々な工夫がされていた。そこで今年度の清陵祭に於いて、昨年度はあまり重点を置いていなかった、各会場における混雑度の把握、またその混雑度をリアルタイムで配信、掲示するなどして、来場した方々にわかりやすく案内できればと思ったからだ。また、この混雑度状況把握のシステムは東京工業大学が以前行っていた、電車内とホーム上の混雑度把握システムをモデルとして研究、実験したいと考えている。

## 研究仮説　

BLE(Bluetooth Low Energy)無線通信技術(以下、BLE通信)は、一般的に使用される、Bluetooth Classicの周波数帯と同じ2.4GHzを使用するため、従来のBluetooth Classic通信と同等レベルの通信速度が期待できると予想する。また、Bluetooth Classicと比べ、消費電力が少ないことも予想されるため、低電力での運用が可能と考える。

## 先行研究

東京工業大学の先行研究より、近距離無線通信規格Bluetoothを使用した、BLE(Bluetooth Low Energy)無線通信技術による「列車内の混雑状況を可視化する」という実証実験が行われた。
先行研究によると、

> 本実証実験は、東京工業大学環境・社会理工学院の辻本研究室が開発した「列車内の混雑度解析技術」（特許出願中）の精度を検証するもので、列車内の混雑情報を可視化してリアルタイムで提供することにより、混雑度が低い車両への乗車を促し、できるだけ混雑を避けたいという乗客のニーズに応えることを目指しています。

と記されている。このようにして、混雑情報を可視化しリアルタイムで来場者に伝えるというコンセプトの基、研究を進めていく。

## 基礎知識

### Bluetoothとは

基礎知識として、まずBluetoothとはどのようなものかを説明する。Bluetoothは近距離無線通信規格の一つで、キーボードやマウス、ヘッドフォンなどで使われている。

Bluetoothの特徴
・省電力
・近距離（～10m程度）
・ある程度速い通信速度
・音楽系の通信に強い
・パーソナルユースの機器に強い

そのBluetoothの規格の中で、省電力に特化するために新たな発想で出来た通信方式がBLE通信である。BLE通信と区別して呼ぶために、古くからのBluetoothの通信方式をBluetooth Classic（ブルートゥース・クラシック）と呼び分けた。(図1)

### BLE通信の概要

BLEは、Bluetooth Classicより更に省電力にした通信方式で、BLEビーコンのように使い方によっては小さな電池で何年も電池交換せずに利用することができる。

以下は消費電流のイメージだ。（大雑把な数値のため、正確な値ではない。）
Bluetooth Classic
　接続待ち状態　　　　・・・ 5mA
　接続して通信中　　　・・・ 30mA

Bluetooth Low Energy
　接続待ち状態　　　　・・・ 200μA
　接続して通信中　　　・・・ 1mA

30分の1、条件によってはそれ以上の省電力を実現出来るとされている。

もう一つ大きな特徴は、スマートデバイスとの親和性が高いことだ。
主要なスマートデバイスで、オープンに利用できるようになっている。

BLE通信の物理層の特性

| 項目 | 値 |
| -------- | -------- |
| 周波数 | 2.400-2.4835GHz |
| 物理層のビットレート | 1Mbps |
| 通信送信電力 | 10mW ~ 10μW |
| 伝達距離 | 150m (見通し) |

混信妨害や他の無線機器の通信障害を起こさないように、BLE通信は上記の周波数帯を2MHz幅に分割したチャネルと、適応周波数ホッピング方式を導入している。

### BLE通信の変調方式

情報を送るために電波の波形を変化させることを変調と言う。変調は、送信する電波、情報を搬送する波なので搬送波と呼び、波の大きさ(振幅)または周波数および位相を時間変化させることだ。この変調は0/1のデジタルデータを、四方八方に広がっていく電波にのせる技術である。

BLE通信の変調方式は、TBD波形に示すGaussian Frequency Shift Keying (ガウシアン周波数シフトキーイング、以下、GFSK) という連続位相周波数偏移変調方式の1つである。周波数シフトキーイングは、0/1のビット・データごとに、一定の周期で周波数の遷移(シフト)量を切り替える(キーイング)変調方式だ。
以下は、GFSKの波形である。

TBD波形のように、250kHzの周波数偏移では、1マイクロ秒後に搬送波の位相が90度変化する。また、250kHzの周期が4マイクロ秒なのは、1マイクロ秒は1/4周期だからだ。搬送波に比べればごく僅かな周波数遷移だが、1マイクロ秒経てば振幅の符号が正負に分かれるため、容易に情報を取り出すことができる。この1つの信号をシンボルと呼び、BLE通信のシンボル・レートは1Mbpsだ。1シンボルは、振幅が正負どちらかにわかれる2状態なので、1シンボルで1ビットが伝送できる。よって、ビット・レートは1Mbpsになる。

GFSKのガウシアンは、0/1の信号をガウスフィルタを通して滑らかにした波形で、周波数遷移を行うことが由来とされる。0/1の変化そのままで周波数遷移をすると、0/1の変化点で搬送波が急激に変化して、周波数占有幅が大きくなる。これは周波数帯域を効率よく使うための技術である。

物理層のビットレートは将来引き上げられると予想されている。しかし、BLE通信では、ビットレートの向上は、より速い通信ではなく、さらなる低消費電力のためだ。例えば、ビットレートが現在の1Mbpsから2倍の2Mbpsになれば、送受信回路の稼働時間が半分になる。半導体素子の電力の大部分が2.4GHzの高周波信号を送受信する回路で消費されるので、これは電池の稼働時間を大きく伸ばすことが期待できる。

### セントラルとペリフェラル

無線通信は大抵【親機】と【子機】に分かれる。BLEでは【親機】のことをCentral（セントラル）、【子機】のことをPeripheral（ペリフェラル）と呼ぶ。

セントラル機器になることが多いのはスマートフォンやパソコン、ゲートウェイなど高機能デバイスが主である。
BLE通信機能がついたセンサ機器や、健康機器、スマートウォッチ、ビーコン発信機、忘れ物タグなどは、ペリフェラル機器とされている。

## 参考文献
1. https://www.titech.ac.jp/news/2022/062809
2. https://qiita.com/Kosuke_Matsui/items/38a82aa0e82872556cf8
3. https://www.ipride.co.jp/blog/2510
4. https://blog.reinforce-lab.com/post/2013-08-13-blebook-ch2-ble-spec/
5. https://www.bluetooth.com/specifications/specs/
6. https://www.musen-connect.co.jp/blog/course/trial-production/ble-beginner-1/
7. https://bit.ly/3su8WBY
8. https://www.mkbtm.jp/?p=1764
9. https://www.soumu.go.jp/soutsu/hokuriku/img/resarch/children/houkokusho/section2.pdf
10. https://bit.ly/3l09FGO 大規模展示会における来場者分析のための配布型 BLE タグを用いた位置推定手法1
11. https://bit.ly/3LgP241　大規模展示会における来場者分析のための配布型 BLE タグを用いた位置推定手法2
12. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9376476
13. https://mdpi-res.com/d_attachment/sensors/sensors-16-00596/article_deploy/sensors-16-00596.pdf?version=1461660752
14. https://downloads.hindawi.com/journals/misy/2016/2083094.pdf
15. https://developer.apple.com/documentation/corelocation/turning_an_ios_device_into_an_ibeacon_device　
16. https://qiita.com/Hiroro0970/items/98355c4872c230159ddd　ビーコンアプリ開発