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【Bluetoothを極める】Bluetoothとは何か?(概要)

すけろく
最近は、なんでもBluetoothで接続!
という感じだな。
げんろく
そうだな。スマホやパソコンなどに
Bluetoothでつないで使うことが多くなった。
すけろく
Wi-Fiとは違うのか?
名前が違うし。
げんろく
うむ。
無線通信技術の一つだが、Wi-Fiとは違う技術だ。
まずは、概要を押さえてみるか。
最近の機器(パソコン、スマートフォン、タブレット、イヤホン、マウス、キーボード・・・)では、Bluetoothに対応していることが当たり前になっています。
Wi-FiとBluetoothは同じ2.4Ghz帯を使っていますが、BluetoothはWi-Fiとは目指している用途が違います。
この「Bluetoothを極める」シリーズでは、Bluetooth(特にBLE)とは何かを深堀りしていきます。
最終的には、ArduinoやM5Stackのようなマイコン、Raspberry PiやJetsonのようなシングルボードコンピュータでプログラムするところまでフォローする記事を作成していく予定です。
今回の記事では以下の内容を記載しています。
Bluetoothとは何か?(概要)
それでは一緒に確認していきましょう!

今回の記事は以下の図書を元にまとめております。詳細はぜひ本で!

Bluetoothとは?

Bluetoothは無線通信技術の1つです。

極超短波である2.4GHz帯域を使い、近距離のデバイス同士をワイヤレスで接続します。

世界標準規格のため汎用性が高く、さまざまなメーカーが製品に採用しています。

今後は、スマートシティやスマートホームを実現する通信技術としても期待されています。

Bluetoothのロゴは?

Bluetoothのロゴは以下の通り規定されています。

Bluetoothの特徴

Bluetoothの特徴は規格ごとに異りますが、主に以下の3点があげられます。


  1. ワイヤレス接続
    Bluetoothは、2.4GHz帯の無線周波数を利用した近距離無線通信規格です。
    2.4GHz帯を利用しているため、免許が不要で、手軽に利用できるのが特徴です。
  2. 接続方法
    Bluetoothは複雑な設定が不要です。
    一度、ペアリングをすると、あとは電源をONにするだけで自動接続が可能になります。
    さらに、常時接続ではなく、Bluetooth通信したいときに接続し、通信が終了したときに切断するようなことも可能です。
  3. ロゴ認証機関とグローバルな規格
    Bluetoothには、ロゴ認証機関が存在し、互換性を保証しています。
    さらにグローバルな規格であるため世界中で活用可能です。
    利用シーンを想定した仕様「プロファイル」も策定されているため、活用しやすい仕組みです。

Bluetoothの歴史

1994年スウェーデンのEricsson社が新しい近距離無線通信規格の開発を開始しました。

1998年5月にPromoter5社(Ericsson、Nokia、Intel、IBM、東芝)でBluetooth SIGが設立され、規格策定開始しました。

現在まで公開された仕様とバージョンは以下の通りです。

現在、規格は大きく2つに分かれています。

1999年から続く「Bluetooth Classic(BR/EDR)」と、2009年から実装された「Bluetooth Low EnergyBLE)」です。

Bluetooth4.0以降では、主にBluetooth Low Energy(BLE)への仕様追加になります。

※ただし、4.0以降のバージョンでも、Bluetooth Classicに対する変更が含まれています。
 例:年表のEDRは、Bluetooth Classicに属する規格ですが、EDR5.0が存在します。

現在の最新バージョンは、「Bluetooth 5.3」です。

Bluetooth5.3 の主な更新は以下の通りです。


  • 定期的なアドバタイジングの強化(BLE)
  • 暗号鍵サイズ制御の強化(Classic:EDR/BR)
  • 接続サブレーティング(BLE)
  • チャネル分類の強化(BLE)
  • Bluetooth Classic (HS)の仕様からの削除

Bluetoothの2つの規格

Bluetoothは、前述のとおり大きく2つの規格に分かれています。
各規格の特徴をまとめています。

Bluetooth Classic

Bluetooth Classicのデバイスは、マスター(Master)と、スレーブ(Slave)の2種類の役割があります。

マスターとはコンピュータネットワークのクライアント/サーバにおけるサーバに相当するものです。

一方、スレーブとはクライアントに相当するものです。マスターが同時に接続できるスレーブの数は最大7つまでとなっています。

転送速度

バージョン 転送速度
BR(Bluetooth Basic Rate) BR PHY (GFSK): 1Mb/s
EDR(Enhanced Data Rate) EDR PHY (π/4 DQPSK): 2Mb/s
EDR PHY (8DPSK): 3Mb/s
HS(High Speed) 24Mbps

※Bluetooth Classicの3.0 HSは、無線LAN規格IEEE 802.11のMAC/PHY層を利用する仕様になっています。
Bluetooth 3.0 HS対応のBluetoothチップ(BluetoothとWi-Fiのコンボチップ)は存在しますが、現実には、ほとんどの製品でBluetoothとWi-Fiは各々のアプリケーションで使用されているため、Bluetooth 3.0 HSを利用している製品は、ほとんどないようです。

Bluetooth Low Energy(BLE)

Bluetooth Low Energyのデバイスは、セントラル(Central)と、ペリフェラル(Peripheral)の2種類の役割があります。

セントラルは、ネットワーク上の親局です。一般にスマートフォンやタブレットなどがセントラルになります。

ペリフェラルは、ネットワーク上の子局の役目になります。体重計や体温計、スマートウォッチなどのセンサーの値やバッテリーの残量など、何かしらの情報や機能を提供するデバイスがペリフェラルになります。

セントラルが同時に接続できるペリフェラルの数は、仕様上は無限ですがBluetoothチップとBluetoothスタックの実装仕様に依存します。

さらに、Bluetooth 5.0では、メッシュネットワーク(多 対 多)を構築できるようになりました。
たとえば、ビルの照明にBluetoothのメッシュネットワークを構築し、スマートフォンから照明の制御をしたり、

また、照明のメッシュネットワークを利用し、遠くにある空調の温度調整パネルを制御したりすることが出来るようになります。

転送速度

バージョン 転送速度
LE 4.2 以前 1Mb/s
LE 5.0 LE 1M PHY: 1 Mb/s
LE 2M PHY: 2 Mb/s
LE Coded PHY (S=2): 500 Kb/s
LE Coded PHY (S=8): 125 Kb/s
Bluetooth の資料などを見ると、デバイスに実装する役割の呼称(マスター/スレーブ、セントラル/ペリフェラルなど)がいろいろあり、理解しにくい場合があります。
そんなときは、以下の表をみて、頭を整理してみてください。

親局の役割
(通信タイミング、開始の管理などを行う)
子機の役割
(アドバタイズパケット送信、センサー値送信など)
セントラル(BLE) ペリフェラル(BLE)
マスター(Classic/BLE) スレーブ(Classic/BLE)

また、サービス提供の観点では以下のような役割があります。

サービス提供側
(データの書き込み処理、検索結果送信など)
サービス利用側
(データの書き込み要求や、検索要求を送信)
サーバー クライアント

※注意なのは、セントラルにせよ、ペリフェラルにせよ、どちらもサーバーにもクライアントにもなれるということです。

BLEで追加されたブロードキャスト機能を使う場合は、以下のような役割があります。

ブロードキャスト送信側 受信側
ブロードキャスター オブザーバー

Bluetoothの消費電力

Bluetooth Low Energyのペリフェラルデバイスは、電力消費を低減するために大半の時間をスリープモードで維持します。

センサー変化などのイベントが発生したときにスリープモードが解除し(起き上がり)、スマートフォンやタブレットなどのセントラルデバイスにデータを転送します。

最大/ピーク電力消費は15mA未満、平均電力消費は約1μAとなっています。

アクティブ時の電力消費はBluetooth Classic(1W)と比較して約1/10(0.01~0.5W)となっています。

データ通信サイクルの低いアプリケーションでは、1個のボタン電池で、5~10年にわたって動作可能とされています。

ただし、低消費電力のBLEといえど、コネクションの頻度が高い、ブロードキャスト通信の間隔が短い、より遠くへ飛ばすなど、により消費電力は増減します。

上記はあくまでも参考程度としてください。

Bluetooth の通信距離

通信距離についても、デバイスの性能や、通信環境により変わってきますので、以下の値はあくまでも参考となります。

Bluetooth Classic は Classによって最大通信距離が変わります。

  •  Class1:最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
  •  Class2:最大出力の上限が 2.5mW で最大通信距離が 10m
  •  Class3:最大出力の上限が 1mW で最大通信距離が 1m

Bluetooth Low Energy(BLE) ではデータレートによって最大通信距離が変わります。

  •  2Mbps :最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
  •  1Mbps :最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
  •  125kbps:最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 400m

※BLEは、前述のとおり消費電力を抑えるケースが多いため、実際はもっと短い距離での通信を想定しています。

次のURLに通信距離の概算算出ツールが公開されています。

Bluetooth のトポロジ

Bluetooth は規格により、構成可能なトポロジが異なります。

Bluetooth Classic は、スター型のPoint-To-Pointです。

 

Bluetooth Low Energy(BLE) では次の3つのトポロジがあります。

  1. スター型(Point-To-Point)
  2. ブロードキャスト型
  3. メッシュ型

 

編集後記

いかがだったでしょうか。

Bluetooth の概要をまとめてみました。

ご紹介した中でも、Bluetooth Low Energy (BLE)は、ボタン電池などを使ったデバイスに活用できるなど注目されています。

次回の記事からは、主に、Bluetooth Low Energy (BLE)について、仕様の深堀りをしていきたいと思います。

最後までご覧いただきありがとうございました。

次回もご期待くださいね!

今回の記事は以下の図書を元にまとめております。詳細はぜひ本で!