ニュース - LEDリストバンドの2.4GHzピクセルレベル制御における課題の克服

LongstarGiftsチーム

LongstarGiftsでは現在、大規模なライブイベントでの使用を想定した、DMX対応LEDリストバンド用の2.4GHzピクセルレベル制御システムを開発しています。そのビジョンは野心的です。観客一人ひとりを巨大な人間ディスプレイスクリーンのピクセルとして扱い、観客全体に同期したカラーアニメーション、メッセージ、そしてダイナミックなライトパターンを映し出すことを目指しています。

このブログ投稿では、当社のシステムのコアアーキテクチャ、特に信号干渉とプロトコルの互換性に関して当社が直面した課題について説明し、RF 通信とメッシュネットワークに経験のあるエンジニアに洞察や提案を共有するよう呼びかけています。

DJ-1

システムアーキテクチャと設計コンセプト

当社のシステムは、「スター型トポロジー + ゾーンベースブロードキャスト」のハイブリッドアーキテクチャを採用しています。中央コントローラーは2.4GHz RFモジュールを使用して、数千個のLEDリストバンドに制御コマンドを無線でブロードキャストします。各リストバンドには固有のIDと事前にロードされた点灯シーケンスが割り当てられています。グループIDに一致するコマンドを受信すると、対応する点灯パターンが点灯します。

波のようなアニメーション、セクションベースのグラデーション、音楽と同期したパルスなど、シーン全体に広がる効果を実現するために、群衆はゾーン（座席エリア、カラーグループ、機能など）に分割されます。これらのゾーンは、個別のチャンネルを介してターゲットを絞った制御信号を受信することで、ピクセルレベルの正確なマッピングと同期を実現します。

2.4GHz帯は、世界中で利用可能であること、消費電力が少ないこと、そして広い範囲をカバーできることから選ばれましたが、堅牢なタイミングとエラー処理のメカニズムが必要です。タイムスタンプ付きコマンドとハートビート同期を実装することで、すべてのリストバンドが同期してエフェクトを実行できるようにしています。

DJ-2

ユースケース：群衆を照らす

当社のシステムは、コンサート、スポーツアリーナ、フェスティバルショーなど、インパクトの大きい環境向けに設計されています。これらの環境では、各LEDリストバンドが発光ピクセルとなり、観客をアニメーションLEDスクリーンへと変貌させます。

これは単なる架空のシナリオではありません。コールドプレイやテイラー・スウィフトといった世界的アーティストも、ワールドツアーで同様の観客照明効果を用いており、観客の感情を揺さぶる圧倒的なエンゲージメントと忘れられない視覚的インパクトを生み出しています。同期された照明は、ビートに合わせたり、調和のとれたメッセージを発信したり、ライブパフォーマンスにリアルタイムで反応したりすることで、観客一人ひとりがショーの一部になったような感覚を味わえます。

主な技術的課題

1. 2.4GHz信号干渉

2.4GHz帯は非常に混雑していることで知られています。Wi-Fi、Bluetooth、Zigbee、その他無数の無線デバイスと帯域幅を共有しています。コンサートやスタジアムでは、観客のスマートフォン、会場のルーター、Bluetoothオーディオシステムなどからの干渉が電波に溢れています。

これにより、信号の衝突、コマンドのドロップ、または遅延が発生するリスクが生じ、望ましい同期効果が損なわれる可能性があります。

2. プロトコルの互換性

標準化された消費者向け製品とは異なり、カスタムLEDリストバンドやコントローラーは独自の通信スタックを使用することが多いため、プロトコルの断片化が生じます。異なるデバイスが相互に理解できない場合があり、サードパーティ製の制御システムの統合が困難になります。

さらに、複数のベースステーションで大勢の人々をカバーする場合、チャネル間の干渉、アドレスの競合、コマンドの重複が深刻な問題になる可能性があります。特に、何千ものデバイスが調和して、リアルタイムで、バッテリ電源で応答する必要がある場合は、深刻な問題になります。

DJ-3

これまで試したこと

干渉を軽減するため、周波数ホッピング（FHSS）とチャンネルセグメンテーションをテストし、会場全体で重複しないチャンネルに異なるベースステーションを割り当てました。各コントローラーはコマンドを冗長的にブロードキャストし、CRCチェックによって信頼性を確保しています。

デバイス側では、リストバンドは低電力無線モジュールを使用しており、定期的に起動してコマンドを確認し、グループIDが一致した場合にのみ事前にロードされたライトエフェクトを実行します。時間同期のために、コマンドにタイムスタンプとフレームインデックスを埋め込むことで、コマンドの受信時刻に関係なく、すべてのデバイスが正しいタイミングでエフェクトをレンダリングできるようにしています。

初期テストでは、2.4GHz帯のコントローラー1台で半径数百メートルをカバーできました。会場の反対側に2台目の送信機を設置することで、信号の信頼性を向上させ、死角をなくすことができました。1,000個以上のリストバンドを同時に操作することで、グラデーションやシンプルなアニメーションの実行といった基本的な動作に成功しました。

ただし、現在、実際のシナリオでの安定性を向上させるために、ゾーン割り当てロジックと適応型再送信戦略を最適化しています。

————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————-