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Bluetooth

辞書:通信用語の基礎知識 無線技術物理層編 (WCPMD)
読み:ブルートゥース
外語:Bluetooth 英語
品詞:固有名詞
2010/01/24 作成
2015/04/09 更新

近距離無線通信技術の一つ。2.4GHz帯の電波(ISM、世界的に免許の要らない電波帯域)を使用するもので、ディジタル機器で広く使われている。

由来

IntelIBMEricssonNokia東芝の5社が提唱した。

ごく短距離の通信を目的とし、これまであった、短くて邪魔なケーブルを無くすことを主たる目的として作られた。

Bluetoothの基本的なコンセプトとして、低消費電力、低価格、高速、などがある。またロイヤルティフリーである。ロイヤルティフリーだが、Bluetoothのロゴ認証はかなり高額である。

IEEEでは、IEEE 802.15のうちIEEE 802.15.1として規格化された。

通信の暗号化とFHSSメカニズムから、セキュリティ面でも有利である。

物理層

周波数帯は2.4GHz帯のISMで、FHSS(周波数ホッピングスペクトラム拡散)方式を採用している。

具体的には、2.4GHz帯(2402〜2480MHz)の中に、1MHz幅で79のチャネルを設定し、秒間1600回のチャネル切り替えをしながら(これを周波数ホッピングという)通信をする。このため、干渉する周波数を発生させる機器が周囲に存在しても、その影響を最小限にできるという利点がある。

名前の由来

Bluetoothは直訳すると「青い歯」だが、そのような意味は無い。

語源は10世紀のデンマーク王であるハーラル王(908?〜986)に由来しており、王の本来のあだ名の「浅黒い肌の権力者」(浅黒い肌はBlå、権力者はtan)を英語の音に写したものがbluetoothである。

ハーラル王は、デンマークとノルウェーを無血統合したことから、異なる機器を繋ぐ規格名にふさわしいとして採用された。

バージョン

Bluetoothには、多くのバージョンがある。

Bluetooth 1.0
初版
Bluetooth 1.0b
修正版
Bluetooth 1.0b+Critical Errata
修正版
Bluetooth 1.1
普及版
Bluetooth 1.2
無線LAN(Wi-Fi)との干渉を避けるAFH(Adaptive Frequency Hopping)対応
Bluetooth 2.0+EDR(Enhanced Data Rate)
最大3Mbpsの高速モードに対応
Bluetooth 2.1+EDR

消費電力を削減する「Sniff Subrating」機能を追加

簡略化されたペアリング「Secure Simple Pairing」機能を追加

Bluetooth 3.0+HS
IEEE 802.11 Protocol Adaptation Layer(PAL)を採用し、最大24Mbpsに対応
Bluetooth 4.0+LE

省電力に対応した。

最大1Mbpsだが省電力で動作し、センサーのような小型機器向けに、8から27オクテットという短いデータパケットをサポートする機能が追加された。

Bluetooth 4.1
モノのインターネット対応のための改良。LTEとの干渉抑制、IPv6対応
Bluetooth 4.2
セキュリティ強化(FIPS対応)、転送速度の高速化(最大2.5倍)

用途用法

Bluetoothは、有線ケーブルを無線化するための技術である。

従来はごく短いケーブルで繋いでいたようなものを、無線化することを主たる目的とする技術であり、様々な機器を相互接続することを想定している。

このため用途に応じて様々なプロトコルが使われる。しかし、全ての対応機器が全てのプロトコルを実装する必要も必然性も無く、現実には使うものだけが実装されていれば実用充分である。そこで、目的に応じて必要なプロトコルなどが決められており、これを目的ごとにまとめ「プロファイル」と呼んでいる。

Bluetoothで互いに接続するためには、通信しようとする機器同士が同じプロファイルを持っている(対応している)必要がある。但し、プロファイルにはサーバー側とクライアント側の区別が存在するため、ある方向に使える機能が逆方向にも使えるとは限らない。

また、様々な需要に対応するために、消費電力が大きく増えるかわりに高速化するHS(High Speed)Bluetooth 3.0から追加され、逆に速度を抑える代わりに極限まで消費電力も抑えるBluetooth Low EnergyBluetooth 4.0から追加された。Bluetoothの応用範囲は広がっている。

認証

Bluetoothは無線で通信するため、互いを認証する作業を要する。これを「ペアリング」と呼んでいる。無関係の機器と交信してしまわないよう、セキュリティのために存在する。

Bluetooth 2.0までのペアリングでは、PINコード(パスキー、PINキーともいう)を入力し、これを元にして固有のリンクキーを生成して通信が可能となる。手入力が基本だが、小型装置では固定であったり、いくつかからの選択式であったりすることもある。Bluetooth 2.1以降では簡略化された新しいペアリングが導入され、PINコードの手入力は不要となった。

リンクキーは互いの装置間に保存されるので、一度ペアリングが成功すれば、以降はわざわざペアリングをする必要は原則として無い。ただし小規模な装置では、保存出来るリンクキーが一個限定ということがあり、この場合は他の機器とペアリングすると、前の装置と通信するためには再度ペアリングせねばならない。

普及

Bluetooth機器はそれなりに増えたが、しかし普及したとは言えるかどうかは微妙である。

近年では、スマートフォンやPHSなどには大抵Bluetoothが搭載されており、使おうと思えばいつでも使うことができる。しかし、あまり使われていない、という状況である。Bluetooth対応機器も多数市販されているが、特別売れているようには見えない。

ヘッドセット

ステレオミニで接続するヘッドフォンは100円ショップでも売られている時代だが、この煩わしいコードを無くしたものとしてBluetooth用のヘッドフォンやヘッドセットが市販されている。

プロファイルとしてはA2DPに対応する製品が多い。通信速度の都合から非可逆圧縮せざるをえないため、音質は有線と比較すると劣っている。

ワイアレスオーディオアダプター

一般のスピーカーに繋げて使う、Bluetoothレシーバー(受信機)も市販されている。

USBで充電できる携帯用のほか、ロジクールの「WSA-BT」やオンキヨーの「WR-BT1」、あるいはharman/kardonの「BTA-10」などのように、ACアダプターで使う設置型の製品もある。

機種ごとに、ライン出力があったり(WSA-BT)、SCMS-T対応だったり(WR-BT1)、A2DPプロファイルで通常のSBCの他にAACに対応しApple製品と組み合わせると高音質だったり(BTA-10)と、様々な売りが存在するようである。

ビデオ関係

民生用ビデオカメラ(カムコーダー)も一時期はBluetoothに対応したが、その後は殆どのメーカーが無線LANへと主力を移した。これは、Bluetoothはカムコーダーでも使えないことはないが、あまり適していなかったためである。

Bluetoothはファイル転送も可能だが、速度が遅いため大容量になりがちな映像データを送ると時間がかかる。しかも接続は1対1が原則であり、特定の1機器にしか繋がらない上に、伝送距離も短い。またメーカーとしての問題もあり、Bluetooth実装のコストの高さと、チップの消費電力は悩みの種だった。このためBluetoothは使いにくいということになったようである。

映像用としてならHDMIを無線化したWiHD(WirelessHD)もあったが、これは全く普及することがなかった。

アメリカのように部屋が広く、映像機器は手元に、テレビは遠くに、といった配置の場合にはBluetoothも便利なのだろうが、日本のように部屋が狭く、映像機器はテレビの下に置かれるのが一般的な状況では、わざわざ無線化などしなくても線でそのまま繋げば充分という現状がある。

クラス

電波強度と到達距離に応じて、クラスが定義されている。

  • Class 1 ‐ 100mW (100m)
  • Class 2 ‐ 2.5mW (10m)
  • Class 3 ‐ 1mW (1m)

携帯電話機などでよく使われているのはClass 2である。

プロファイル

種類

Bluetoothでは用途に応じて様々な通信プロトコルがあるが、用途ごとに定義されたプロトコルの使用方法(構造)の標準をプロファイルという。

通信しようとする機器同士が同じプロファイルに対応している場合のみ、そのプロファイルに応じた機能を利用することができる。

Bluetoothプロファイルには、従来型のものと、Bluetooth LE用のものとがある。

  • 伝統的プロファイル (従来型)
  • GATTベースプロファイル (Bluetooth LE用)
  • GATTベースサービス (Bluetooth LE用)

この中で、伝統的プロファイルとして比較的よく使われているのは、DUN、FTP、OPP、HSP、A2DP、AVRCPなどである。

(詳細はBluetoothプロファイルを参照)

機能分類

主要なプロファイルを用途ごとに分類すると、次のようになる(全てのプロファイル一覧はBluetoothプロファイルを参照)。

  • 音楽
    • A2DP(Advanced Audio Distribution Profile) 高度オーディオ配信プロファイル
    • AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile) オーディオ/ビデオ リモート制御プロファイル
  • ヘッドセット
    • HFP(Hands-Free Profile) ハンズフリー プロファイル
    • HSP(Headset Profile) ヘッドセット プロファイル
  • 印刷
    • BIP(Basic Imaging Profile) 基本画像プロファイル
    • BPP(Basic Printing Profile) 基本印刷プロファイル
    • HCRP(Hard Copy Cable Replacement Profile) ハードコピー ケーブル置換プロファイル
    • OPP(Object Push Profile) オブジェクト プッシュ プロファイル
  • 転送
    • FTP(File Transfer Profile) ファイル転送プロファイル
    • OPP(Object Push Profile) オブジェクト プッシュ プロファイル
  • 入力
    • HIDP(Human Interface Device Profile) ヒューマン インターフェイス デバイス プロファイル
  • 全製品に適用されるもの
    • IOPT(Interoperability Profile)

プロトコル

Bluetoothで使われている主要なプロトコルは次の通り。

A2MP(AMP Manager Protocol)
必要に応じて下位のレイヤーを別の通信方式に切り替えるAlternate MAC/PHY(AMP)機能の管理プロトコル
ATT(Attribute Protocol)
属性情報の交換に使われる。GATTが用いているプロトコル。用途はSDPに似ているが、省電力Bluetooth向けに作られている。
AVCTP(Audio/Video Control Transport Protocol) オーディオ/ビデオ制御トランスポート プロトコル
AVデバイスの制御メッセージを伝送するためのプロトコル
AVDTP(Audio/Video Distribution Transport Protocol) オーディオ/ビデオ配信トランスポート プロトコル
AVストリームの伝送をするためのプロトコル
BNEP(Bluetooth Network Encapsulation Protocol) Bluetoothネットワーク カプセル化プロトコル
IPv4やIPv6などのプロトコルをBluetooth上で伝送するためのカプセル化プロトコル
IrDA(InfraRed Data Association)
IrDAの相互運用性
L2CAP(Logical Link Control and Adaptive Protocol)
Bluetoothにおけるデータリンク層プロトコル
MCAP(Multi-Channel Adaptation Protocol) マルチチャンネル アダプテーション プロトコル
制御チャンネルを作り、複数のデータチャンネルを管理するための汎用プロトコル
OBEX(Object Exchange) オブジェクト交換
二台のデバイス間でオブジェクト伝送をするためのプロトコル
OPP、PBAPなど、様々なプロファイルで使われている。
RFCOMM(ESTI TS 07.10 標準)
RS-232Cシリアルポートをエミュレートするプロトコル
SDP(Service Discovery Protocol) サービス発見プロトコル
通信機器が、どのようなサービスをサポートしているかを検査する場合などに使われる
SMP(Security Manager Protocol)
省電力Bluetoothで、ペアリングとリンクキー交換をするプロトコル。
TCP(Telephony Control Protocol) 電話制御プロトコル
音声通話やデータ通信のための呼制御を行なうプロトコル

プロトコル構造

コアシステムアーキテクチャー

データ通信系のみを記載。

デバイス制御系の流れでは、リンクマネージャー層とベースバンド層にまたがるデバイスマネージャー(Device Manager)経由で、HCI経由で上位と交信、またはリンクマネージャー(LM)やベースバンドリソースマネージャーと交信する経路が存在する。

データ転送アーキテクチャー

データ転送

Bluetoothのデータ転送アーキテクチャーは次の通り。

L2CAP層(L2CAP layer)L2CAPチャンネル(L2CAP Channels)
論理層(Logical Layer)論理リンク(Logical Links)
論理トランスポート(Logical Transports)
物理層(Physical Layer)物理リンク(Physical Links)
物理チャンネル(Physical Channel)
プロトコルの構造

プロトコルの構造は次の通りである。

  • L2CAPチャンネル(L2CAP Channels)
    • ユニキャスト(Unicast)
    • ブロードキャスト(Broadcast))
  • 論理リンク(Logical Links)
    • Control(LMP) [ACL]
    • User(L2CAP) [ACLまたはASB]
    • Stream [SCOまたはESCO]
  • 論理トランスポート(Logical Transports)
    • ACL
    • SCO
    • ESCO
    • ASB
全体的なプロトコル構造

全体的なBluetoothのプロトコル構造は次の通りである。

  • Channel Access Code

    Physical Channelのアクセスコード

  • Packet Header

    logical transportのidentifier

  • Guard & Sync (EDRのみ)
  • Payload Header

    Logical Linkのidentifier

  • Payload
  • CRC

Packet Header/Guard & Sync/Payload Headerは、Link Control(LCプロトコル)で扱われる。

Payloadは、LMPメッセージ、L2CAPのシグナル/フレーム、あるいは他のユーザーデータである。

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