はじめに:ゲームとVRにおける潜在能力のインペative

Bluetooth テクノロジーは、ゲームやバーチャルリアリティ(VR)システムにおけるワイヤレス周辺機器の のクリティカル アクセシビリティー になりました。 コントローラとヘッドセットからハプティック グローブとフルボディ トラッカーまで、Bluetooth モジュールは、リアルタイムの応答性を提供し、没入状態を維持する必要があります。 10〜20ミリ秒の遅延は、VR の存在感を破壊したり、競争ゲームにおけるインプット ラグを引き起こします。 この記事では、アーキテクチャ、一貫性のあるソフトウェアの決定、ハードウェアの最適化、および最適化を把握することができます。

低周波要件の理解

レイテンシブは、ゲームとVRのコンテキストでは、ユーザーアクション(ボタンプレス、ヘッドの動き)と対応するオンスクリーンまたはインワールドフィードバックの間の時間です。 人間の認識の研究では、モーションツーフォトンレイテンシーのために、許容可能なVRのしきい値が10ms未満の理想的なターゲットを持つ20ms前後であることを意味します。 速いペースの競争ゲームでは、15msを超える入力ラグが顕著です。 Bluetoothモジュールは、したがって、両方の周辺機器の遅延や遅延を遅らせるだけでなく、周辺機器の遅延や、周辺機器の遅延を遅らせるだけでなく、両方の側面を遅らせる必要があります。

トータルレイテンシへの主要なコントリビューターには、以下が含まれます。

  • [] 間隔] - データの無線チェックがどのくらい頻繁に表示されます。
  • [接続間隔 - Bluetooth Low Energy(BLE)で接続されたイベント間の期間。
  • []パケットエンコーディング/デコード – 特にヘッドセットのオーディオコーデック用。
  • ホストスタック処理] – オペレーティングシステムやドライバによってレイテンシが追加されました。

シームレスな経験のために、デザイナーは、プレミアムVRコントローラーの5〜8ミリ秒のストレッチゴールで、最大20ミリ秒のレイテンシをターゲットにする必要があります。

主要設計検討

1. Bluetoothプロトコルの選択

Bluetooth ClassicとBLEのどちらを選ぶかは、最初のアーキテクチャ決定です。Bluetooth Classic(BR/EDR)は、オーディオストリーミングのスループットが高いだけでなく、SCO/eSCOリンク(多くの場合100〜150ms)により、より高レイテンシーが高いです。BLEは、低電力センサーデータ用に設計されており、低レイテンシのゲーム周辺機器を占有します。しかし、すべてのBLEの実装は等しくありません。

Bluetooth 5.0 と newer] は、直接レイテンシをターゲティングする機能は次のとおりです。

  • [LE は PHY] (S = 2、S =8) をコードしました。範囲を拡張しますが、オーバーヘッドを追加します。 低レイテンシの使用を避けるのが最善です。
  • [LE 2M PHY] - データを倍増し、より短い伝送が破裂し、オンエア時間を大幅に削減します。
  • 接続間隔を7.5 ms と低く(BLE 4.2+) 。
  • [データ長延長(DLE)[ - パケットを最大251バイトまで許可し、トランザクション数を削減します。

オーディオでは、 [ Bluetooth 5.2 の 分離チャンネル が、低エネルギーオーディオ (LE Audio) を、クラシックオーディオプロファイルよりも大幅に低いレイテンシーで有効にします。 新しい []]]]LC3 コーデックは、低ビットレートで高品質を提供し、10 msまたは7.5 msのフレームの持続時間をサポートします。

2. ハードウェアの最適化

シリコンの選択は、直接、達成可能なレイテンシに影響を与えます。専用の低レイテンシBluetooth SoC(ノルディックセミコンダクター、ダイアログセミコンダクター、またはシリコンラボ)は、内部バッファリングを最小限に抑えて、ラジオ、ベースバンド、およびアプリケーションコアを統合します。

  • [Antenna design] - 適切なインピーダンスマッチングで高効率印刷またはセラミックアンテナを使用してください。 マルチバンドアンテナ(BLE + Wi-Fi)は、干渉を避ける必要があります。
  • トランシーバーの直線性 - 周波数帯域を渡る安定した出力電力を保障し、再伝達を減らす。
  • [ プロセッサコア – 専用のCPU(ARM Cortex-M4またはM33)が、マイクロレイテンシジッタを導入することなく、スタック処理を処理できます。
  • []パワーマネジメント - 低レイテンシのアプリケーションは、多くの場合、より高いピーク電流を必要とする。 規制当局は、電圧のドロップなしできれいに破裂を供給する必要があります。

例:DLEと7.5ミリ秒の接続間隔でNordic nRF52840を使用したゲームマウスは、HIDレポートの1.25ミリ秒のオーバーレイ]を達成できます。

3. ファームウェアおよびスタックの調整

ファームウェアがレイテンシのために最適化されていない場合でも、最高のハードウェアが不足しています。

  • バッファリングではなく、HIDレポートの]のアプリケーションレイヤー通知[を直接使用してください。
  • Bluetooth 割込みサービスルーチン(ISR)を他のタスクよりも優先します。
  • オペレーティングシステムのスケジューリング遅延を最小化または排除する、非RTOSアプローチまたはRTOSを保証された割込みレイテンシを使用して。
  • を実際にパケット処理を実行します。ラジオが最後のバイトを受け取りながらデコードを開始します。

ロジックアナライザやパケットスニッファ(例えば、Ellisys Bluetooth Analyzer)でテストすることは、スタックボトルネックを特定する必要がなくなります。

低レイテンシビリティ性能の向上

適応周波数ホッピング(AFH)

AFH は、クリーンなリンクを維持するために、自動的に占有チャンネル(例えば、Wi-Fi またはマイクロウェーブ干渉)をスキップします。 羽根の送金は、より低い一貫性のあるレイテンシを意味します。 Bluetooth 5.0 は AFH 分類解像度を改善しました。

高められたデータ転送速度(EDR)

Bluetooth の EDR (2 Mbps または 3 Mbps) は、オーディオと大きなデータ転送のオンエア時間を短縮します。BLE の場合、2M PHY は同様の目的を機能します。 2M PHY で送信された 20 バイトの HID レポートは、1M PHY で 80 μs と 160 μs のみを占めます。

耐震チャンネル(Bluetooth 5.2 +)

これらのチャネルは、複数のオーディオまたはデータストリームを低ジッタで同期させることができます。 VRでは、これは[]]の左および右耳のオーディオを有効化し、1〜2 μs[以内に滞在し、空間音のために不可欠です。 分離チャネルは、 の転送バッファリングを構成可能な遅延予算でサポートします。

LE は心配と PHY をコードしました

LEコード化されたPHYは範囲を改善しますが、それは2×または8×記号のコーディングを加えます、比率的にレイテンシを増加させます。時々レイテンシーのスパイクが許容される距離制限された適用だけのためにそれを使用して下さい(例えば、無線充電ドックの発見)。

開発者向け実装のヒント

プロフィールとストリームの選択

低いレイテンシーのために設計されたプロファイルを選択します。]GATT(HOGP)]をオンにして、短い接続間隔で制御器やトラッカーに最適です。オーディオには、[]]LC3ベースのオーディオプロファイル[を、より古いA2DP + SBCよりも100〜150 msを追加します。

ハンドシェイクとペアリングの最適化

対向からオーバーヘッドは、初期レイテンシのスパイクを引き起こす可能性があります。 [Just Worksのペアリング(事前構成キー)または債券情報を格納して、再ペアリングを回避することができます。 セキュリティが必要な場合は、]]]LE Secure Connectionsが、ハードウェアアクセラレータへの暗号化操作をオフロードします。

実世界テスト方法論

最悪のRF環境を模倣します。: 完全なスループット、金属エンクロージャおよび動きの隣接するWi-Fiチャネル。 を使用してレイテンシを測定します。

  • ] ホストとオシロスコープの周辺機器のGPIO toggling を切り替えます。
  • Bluetooth のスニッファからパケットタイムスタンプ[]。
  • [ AndroidのbtsnoopログやLinuxのbtmonのようなオープンソースツール。

伝送速度が5ms超えのの対象をにしました。

電力対. 潜水貿易‐オフ

接続間隔を下げ、より高いデータレートは、バッテリーを速く排出します。 頻繁な入力を備えたVRコントローラーの場合、合理的な妥協は、深眠に入る前に1.5〜分のアイドルタイムアウトと組み合わせた15ms接続間隔です。 アプリケーションが動的に間隔を切り替えることを可能にします。例えば、アクティブゲームプレイ中に7.5ms、アイドル中に50ms。

今後の動向と新興規格

Bluetooth SIGは、レイテンシを下回るのを継続します。 [ Bluetooth 5.4] 導入された 応答(PAwR)) と、双方向データを有効にします。 ‐5 ms のレイテンシ 大きいデバイスネットワークの-- ‐ ‐ ‐ の ‐ の ‐ ‐ の ‐ の ‐ ‐ の ‐ ‐ の ‐ ‐ ‐ の ‐ ‐ ‐ の ‐ ‐ ‐ の ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ の ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

また、メーカーは、Bluetoothを独自の2.4GHzラジオ(ロジクールライトスピードやラザーハイパースピードなど)と組み合わせて1つのミリ秒レイテンシを達成する[]]マルチプロトコルSoCs[]]を探索しています。 純粋なBluetoothではなく、ハイブリッドモジュールは、古い周辺機器の後方互換性を提供します。 エンジニアは、] Bluetoothだけで、ターゲットまたはデュアルディオラファイドアプローチが正当化されている場合に会うことができます。

コンテンツ

ゲームの低遅延アプリケーションとVRでBluetoothモジュールを設計することは、マルチ・ディストリビューションの課題です。 慎重にプロトコルの選択(BLE 5.2 +と隔離チャネル)、バッファリングを最小限に抑えるハードウェア、および他のすべての上に無線パスを優先するファームウェアが必要です。 []]]2M PHY、DLE、LC3コーデック]を活用することで、開発者は、ほぼすべてのワイヤレス接続を制限することを可能にします。 ほとんどのユーザーは、ほとんどの接続を制限する機能が、Bluetoothと接続を制限する機能を有効にします。

Bluetooth レイテンシ仕様の詳細は、【】 Bluetooth コア仕様 と ] の半導体アプリケーションノートを参照してください。 実用的な測定技術は でよく説明されています。EDN ネットワークのレイテンシ測定ガイド および IEEE の IoT Journal] で説明されています。