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BLEリンクバジェット・通信距離計算ツール — PHY別のBluetooth Low Energy

PHY別のBluetooth Low Energyリンクバジェット。LE 1M、LE 2M、LE Codedのデータレートとコア仕様の受信感度、自由空間またはITU-R P.1238屋内モデルによる伝搬損失、受信電力、リンクマージン、最大通信距離を求めます。

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公式リファレンス

M = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - L_p - S,\quad L_p^{FS} = 20\log_{10}\frac{4\pi d f}{c},\quad L_p^{P.1238} = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f_{GHz}

参考: Bluetooth Core Specification v5.4, Vol 6, Part A, §1–§4; ITU-R P.1238-13, §3.1, Table 2; ITU-R P.525-4, Eq. (3)

S— 受信感度: −70 dBm (1M、2M)、−75 dBm (Coded S=2)、−82 dBm (Coded S=8)、またはデータシートの値 (dBm)

L_p— 伝搬損失 (dB)

\alpha, \beta, \gamma— 環境ごとのITU-R P.1238の距離係数、オフセット、周波数係数

d— 直接距離 (m)

f— 周波数 (Hz (free space), GHz (P.1238))

公式

M = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - L_p - S,\quad L_p^{FS} = 20\log_{10}\frac{4\pi d f}{c},\quad L_p^{P.1238} = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f_{GHz}

参考: Bluetooth Core Specification v5.4, Vol 6, Part A, §1–§4; ITU-R P.1238-13, §3.1, Table 2; ITU-R P.525-4, Eq. (3)

S— 受信感度: −70 dBm (1M、2M)、−75 dBm (Coded S=2)、−82 dBm (Coded S=8)、またはデータシートの値 (dBm)

L_p— 伝搬損失 (dB)

\alpha, \beta, \gamma— 環境ごとのITU-R P.1238の距離係数、オフセット、周波数係数

d— 直接距離 (m)

f— 周波数 (Hz (free space), GHz (P.1238))

仕組み

Bluetooth Low Energyのリンクは距離が短いため、そのリンクバジェットはおもに受信側で決まります。どの物理層（PHY）でデータを送るか、そして無線機の受信感度がどれだけ高いかです。

4つのLE PHY

Bluetoothコア仕様（Core Specification）は、必須のPHYであるLE 1M（1 Mb/s）、LE 2M（2 Mb/s）、そして各ビットを繰り返し送ることでデータレートと引き換えに通信距離を延ばすCoded PHYを定めています。Coded PHYのデータレートは、S=2符号化で500 kb/s、S=8符号化で125 kb/sです。仕様に適合する受信機は、Vol. 6, Part Aの表4.2の受信感度を満たす必要があります。符号化なしのPHYでは−70 dBm、S=2では−75 dBm、S=8では−82 dBmです。これらは認証を受けた無線機に許される最も悪い値で、現在の無線機の多くはこれより20〜30 dB優れているため、データシートの値がわかっている場合はそれを入力してください。

伝搬損失

自由空間での損失は $20\log_{10}(4\pi d f/c)$ で、2440 MHz、10 mでは60.20 dBです（ITU-R P.525）。屋内については、ITU-R P.1238が測定値に当てはめたサイトジェネラルモデルを与えています。

L = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f

ここで $d$ はメートル単位の直接距離、 $f$ はGHz単位の周波数で、係数はオフィス、廊下、工場、会議室のそれぞれについて、見通し内（LoS）と見通し外（NLoS）の値が与えられています。見通し外のオフィスでは $\alpha$ = 2.39、 $\beta$ = 30.13、 $\gamma$ = 2.40 なので、10 m、2.44 GHzでの損失は63.33 dBとなり、距離が10倍になるごとに、自由空間の20 dBではなく23.9 dBずつ増えます。各環境にはシャドウイングの標準偏差もあり（このオフィスでは5.01 dB）、フェードマージンを選ぶ目安として表示します。

マージンと最大通信距離

受信電力は、送信電力に送受両方のアンテナ利得を加え、その他の損失と伝搬損失を差し引いたものです。リンクマージンは受信電力から受信感度を引いた値で、最大通信距離はリンクマージンがゼロになる距離です。

適用範囲

コア仕様が認める最大電力設定時の送信電力は−20〜+20 dBmで、LEは2400〜2483.5 MHzで動作します。これらの範囲外の値は警告付きで表示します。P.1238の各環境は、測定が行われた周波数と距離の範囲でのみ成り立ちます（見通し外のオフィスなら4〜30 m）。その範囲外の距離や最大通信距離には警告を表示します。伝搬損失はフェードマージンを含まない中央値で、人体による損失や筐体損失は入力した場合にのみ計算に含まれます。

計算例

問題: LE 1M PHYのセンサーが、0 dBiのチップアンテナから0 dBmで、オフィスを挟んで10 m離れた見通し外のゲートウェイへ送信します。リンクは成立するか、またどこまで届くかを求めます。次に、LE Coded S=8 PHYの場合と、データシートでLE 1Mの受信感度が−97 dBmの無線機の場合を比較します。

ステップ1 - 伝搬損失（ITU-R P.1238、オフィス NLoS）: L = 23.9 log₁₀(10) + 30.13 + 24.0 log₁₀(2.44) = 23.9 + 30.13 + 9.30 = 63.33 dB

ステップ2 - 受信電力: P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63.33 = −63.33 dBm

ステップ3 - コア仕様の受信感度でのマージン: M = −63.33 − (−70) = 6.67 dB 最大通信距離: 19.02 m

ステップ4 - LE Coded S=8（−82 dBm）: M = 18.67 dB、最大通信距離60.43 m。オフィスNLoSの係数の適用範囲30 mを超えるため、警告が表示されます

ステップ5 - LE 1Mでデータシートの受信感度が−97 dBmの場合: M = 33.67 dB

自由空間であれば、同じ10 mの損失は60.20 dBです。屋内では損失が3.13 dB多く、距離に対する傾きも急なため、−70 dBmでの最大通信距離は30.92 mから19.02 mに縮みます。

実践的なヒント

✓使用するPHYについて、無線機のデータシートの受信感度を入力してください。0のままにすると、コア仕様の最低値で計算します。
✓部屋に合ったITU-R P.1238の環境を選び、距離をその適用範囲内に収めてください。見通し外のオフィスなら4〜30 mです。
✓リンクマージンは少なくともシャドウイング標準偏差の1倍を確保し、切断が許されないリンクではさらに大きくしてください。
✓LE Coded PHYは通信距離が必要な場合にだけ使ってください。S=8ではスループットが125 kb/sまで下がります。

よくある間違い

✗コア仕様の受信感度でリンクバジェットを計算し、BLEは数mしか届かないと結論づけてしまう。−70 dBmという要求値は適合のための最低ラインで、データシートの値は通常20 dB以上優れています。
✗屋内で自由空間損失を使ってしまう。壁や家具があると距離に対する損失の増え方が速くなるため、自由空間で求めた通信距離は実際の1.5倍以上になることがあります。
✗Coded PHYには代償がないと考えてしまう。S=8は各ビットを8回送ることで受信感度を12 dB改善するため、パケットの送信時間は約8倍になり、消費エネルギーも増えます。
✗人体損失や筐体損失を見落としてしまう。ウェアラブル機器や金属ケースに入った機器では、データシートには現れない数dBの損失が生じることがあります。

よくある質問

Bluetooth Low Energyの通信距離はどのくらいですか？

PHY、無線機、建物によって変わります。送信電力0 dBm、アンテナ利得なし、コア仕様の最低値−70 dBmの場合、見通し外のオフィスではLE 1Mは約19 mまでです。受信感度−97 dBmの無線機やCoded PHYなら、はるかに遠くまで届きます。

Bluetooth仕様が求める受信感度はどれくらいですか？

コア仕様は、LE 1MとLE 2Mで−70 dBm以上、Coded PHYではS=2符号化で−75 dBm以上、S=8符号化で−82 dBm以上を求めています。実際の無線機は通常、これらの最低値よりはるかに優れています。

BLEのCoded PHYとは何ですか？

Bluetooth 5で導入された長距離用のPHYです。シンボルレート1 Msym/sのまま各ビットを前方誤り訂正（FEC）で符号化し、データレートがS=2で500 kb/s、S=8で125 kb/sに下がる代わりに、LE 1Mより受信感度が5 dBまたは12 dB向上します。

BLEデバイスはどのくらいの送信電力を使えますか？

コア仕様では、パワークラス1〜3で、最大電力設定を−20 dBm〜+20 dBmの範囲で選べます。地域の電波法令によっては、これより低い上限が定められている場合があります。

この計算ツールはどの屋内伝搬損失モデルを使っていますか？

ITU-R勧告P.1238のサイトジェネラルモデルを使い、オフィス、廊下、工場、会議室について見通し内と見通し外の係数を用います。各係数は、測定が行われた周波数と距離の範囲で有効です。

方法論と参考文献

参考文献

Bluetooth Core Specification, Version 5.4 — Bluetooth SIG, 2023 — Vol 6, Part A: §1 (LE PHYs and rates), §2 (2400–2483.5 MHz), §3 and Table 3.1 (transmit power), §4.1 and Table 4.2 (receiver sensitivity) リンク
Recommendation ITU-R P.1238-13, Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems — ITU-R, 09/2025 — §3.1, Eq. (1) and Table 2, site-general basic transmission loss coefficients リンク
Recommendation ITU-R P.525-4, Calculation of free-space attenuation — ITU-R, 08/2019 — §2.2, Eq. (3) リンク

Uses the Core Specification sensitivities (−70, −70, −75 and −82 dBm) and rates (1, 2, 0.5 and 0.125 Mb/s) for the four LE PHYs, reproduces the 60.20 dB free-space loss at 2440 MHz and 10 m, and the ITU-R P.1238-13 office NLoS coefficients exactly.