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» 2017年09月14日 11時00分 公開

Bluetooth 5の特長を知る(2):Bluetooth 5 通信距離「従来比4倍」の仕組み (3/4)

[Martin Woolley(Bluetooth SIG),EDN Japan]

エラーには、どう対応するのか

 通信システムでのエラー対応には2つの大きな戦略があります。1つはエラー検知、もう1つはエラー訂正です。

(1)エラー検知

 受信機でエラー検知を可能にするには、さまざまな方式があります。紙テープや電磁テープを使ったシステムでは、数十年前にパリティビット方式が最初に導入されました。有線のシリアル通信システムでは依然としてパリティビットに依存しており、受信機は1つ以上のビットの誤解読を検知できます。

 また、利用可能な複数のチェックサム方式もあります。Bluetoothは、巡回冗長検査(CRC)と呼ばれるチェックサム方式を使用しています。全てのパケットは、送信機により送信パケットの内容によって計算された24ビットのCRC値をパケットの領域中に備えています。受信機は受信パケットの内容でCRCを再計算し、再計算された値と受信パケット中のCRCの値を比較します。それらが等しい数値ではない場合、エラーが発生したことになります。

Bluetoothで採用しているチェックサム方式 出典:Bluetooth SIG

 エラーが検知された場合、システムの応答には2つの異なる方法があります。1つは、エラーを致命的な結果として認識し、通信を放棄する方法。他方は、再試行することで成功に至る可能性もあるため、送信機にデータ再送信をリクエストする方法です。

 Bluetoothのバージョン4およびバージョン5では、CRCチェックが失敗した場合、リンク・レイヤーでパケットを破棄して送信機にデータを再送信させます。送信器はエラーが検知された場合だけではなく、受信機からのパケット正常受取応答(Ack)を受信できない場合もデータを再送信します。

(2)エラー訂正

 受信機のエラーを検知するばかりではなく、データを再送信する必要がなくなるよう、一定の限界値まではエラーを修正することもできます。

 バージョン4のBluetooth LEは、エラー訂正機能を備えていません。エラー検知機能のみです。それに対し、Bluetooth 5ではエラー訂正機能を導入しました。

 先進的なエラー修正技術を駆使したことにより、SN比が悪い環境下でも、さらに遠距離にある送信機から送られたデータでも正しく解読できるという利点を備えています。

 エラー訂正手法を採用せずにある距離においてBER限界値に達してしまった場合を想像してみてください。「マジックで」エラーの一部または全部を修正できるとしたら、みかけのBER値が向上するので有効距離はさらに拡大するでしょう。もちろんマジックではなく、エラー訂正を適用して、これまでと同じBER限界値のまま、私たちがかつて経験しなかったレベルで実用的に許容しうる最大限の有効通信距離にまで拡大されました。

 これは拡大したBluetooth 5の通信距離の基礎となる部分であり、私がマジックと表現したのは数学であり、実はマジックではありません。

・前方誤り訂正(FEC)

 LE Coded PHYは、エラー修正に対する特殊なアプローチである前方誤り訂正(FEC)を採用しています。これは送信パケットに追加ビット、冗長ビットを付加することにより機能します。これらのビットの唯一の目的は、エラー修正を実行できるように、FECアルゴリズムのアプリケーションをサポートすることにあります。

 LE Coded PHYにおける新たなエラー修正機能は、Bluetooth LEにおけるリンクレイヤーで行われるビットストリーム処理に下の図に示す2つの段階を付加して実現します。

Bluetooth 5 ビットストリーム処理時のFEC 出典:Bluetooth SIG(クリックで拡大)

 FECのエンコーディングは畳み込み符号器を用いてそれぞれの入力データに対し2ビットを生成します。その際使用される生成多項式は以下の通りです。

FEC生成多項式 出典:Bluetooth SIG

 LE Coded PHYでは、2つの異なるコーディングスキーム(S=2とS=8)を選択することができます。パターンマッパーが各ビットをFEC畳み込み符号器からPシンボルに変換します。この場合Pの値は使用されているコーディングスキームに依存します。S=2とした場合、事実上の変化はありません(すなわちP=1)。しかし、S=8とした場合FEC符号器の各ビットは、パターンマッパーから出力4ビット(すなわちP=4)を生成します。詳細を以下に示します。

パターンマッパー変化 出典:Bluetooth SIG

 LE Coded PHY のコーディングスキーム(S=2とS=8)には、2つの結果が生じます。それは、S=2では距離がおよそ2倍になるのに対して、S=8では約4倍になるということす。しかし、見て分かるように、受信機でFECアルゴリズムに対応するために冗長データが必要となって転送するべきシンボル数が減少するため、全体的なデータレートは低下します。特に、1ビットがFEC符号器とパターンマッパーの両方を通過すると、S=2の場合は2ビットに、S=8の場合は8ビットに変わります。これによって生じる結果を以下で説明します。

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