Bluetoothプロトコルの概要

BluetoothR ワイヤレス･テクノロジは、短距離ワイヤレス接続に関する世界的な通信規格です。Bluetoothは1994年にEricsson Mobile Communicationが最初に立ち上げたテクノロジです。Bluetoothの目的は、複数のデバイス間を相互に接続するための多種多様なベンダー固有のケーブルを単一の汎用的な短距離無線リンクで置き換えることでした。たとえば、携帯電話とラップトップの両方にBluetoothを導入すると、ケーブルを使用しなくても、ラップトップを携帯電話に接続できるようになります。プリンタ、デスクトップ、FAX機、キーボード、ジョイスティック、その他のほとんどのデジタル機器は、Bluetoothシステムの一部に組み込むことができます。Bluetoothは低コスト・低電圧のソリューションとして設計されており、既存のデータ･ネットワークに対する汎用的なブリッジ、および周辺インタフェースを提供するほか、接続されたデバイスを固定ネットワーク・インフラストラクチャから切り離して、それらのデバイスからなる小規模なプライベート・グループを機動的に形成するためのメカニズムを実現します。現在、Bluetoothは広範なマーケット･セグメントにおいて、製品とアプリケーションの開発に利用されています。これらのマーケット･セグメントの例として、ソフトウェア開発会社、シリコン・ベンダー、周辺機器やカメラのメーカー、モバイルPCのメーカー、携帯機器の開発会社、民生用電子機器メーカー、自動車メーカー、検査機器や計測機器のメーカーなどが挙げられます。

機能と特長

  • 2.4GHz ISM無線帯域で動作。
  • 79チャンネルの周波数ホッピング方式（FHSS：Frequency-Hopping Spectrum Spread）を利用。
  • 通信チャンネルでは帯域幅合計1Mb/秒のデータ通信（非同期）と音声通信（同期）をサポート
  • 128ビットの暗号化モードを通じてセキュリティを保証
  • 8個のアクティブ機器と255個の非アクティブ（Parkモード）デバイスをサポート
  • 自動的なエラー修正と再伝送
  • 各デバイス用の接続プロファイルをSIG制御仕様で細かく定義

アーキテクチャ

Bluetooth機器は他のBluetooth機器と複数の異なる方式で通信できます。最も単純な方式は2つの機器が通信する場合です。この通信トポロジは「ポイント・ツー・ポイント」と呼ばれます。１つの機器がマスターとして動作し、もう1つの機器はスレーブとして動作します。このような臨時のネットワークは「ピコネット」と呼ばれます。正確に定義すると、ピコネットとは、1つのマスターと1つ以上のスレーブから構成される任意のBluetoothネットワークを指します。1つのピコネットの中では、最大7個のスレーブをアクティブにすることができます。複数のスレーブを使用する場合の通信トポロジは「ポイント・ツー・マルチポイント」と呼ばれます。その場合、チャンネル（および帯域幅）は、ピコネット内のすべてのデバイス間で共有されます。

  • サポートされるチャンネル構成（および帯域幅）は次のとおりです。

構成

最大データ速度（アップストリーム）

最大データ速度（ダウンストリーム）

3個の同時音声チャンネル

64kb/sec X 3チャンネル

64kb/sec X 3チャンネル

対称データ

433.9kb/sec

433.9 kb/sec <0}

非対称データ

723.2kb/sec または57.6kb/sec

57.6kb/sec または 723.2kb/sec

同期音声チャンネルは、一定の間隔でスロットを確保した回路交換を通じて提供されます。同期リンクはSCO（Synchronous Connection-Oriented）リンクと呼ばれます。非同期データ・チャンネルは、ポーリング・アクセス方式を利用したパケット交換を通じて提供されます。非同期リンクはACL（Asynchronous Connection-Less）リンクと呼ばれます。データと音声を混合したSCOパケットも定義されています。このSCOパケットは、各方向に64kb/secの音声伝送と64 kb/secのデータ伝送に対応しています。

次の表に示すように、Bluetooth機器は3種類のパワー・クラスに従って分類されます。

パワー・クラス

最大出力

電圧

1

100mW

(20dBm)

2

2.5mW

(4dBm)

3

1mW

(0dBm)

ほとんどのBluetooth携帯機器は、コストやバッテリ寿命の問題からパワー・クラス1または2（公称出力電力は0dBm）に属すことになります。パワー・クラス1の機器では、ユーザーが電源管理機能を利用して伝送電圧を0dBm以上に制限する必要があります。これには若干のコストがかかりパワーも不足がちになりますが、広範な到達レンジを必要とする各種アプリケーションや家庭用ネットワークにとって十分な最大100mの到達レンジが実現されます。Bluetooth無線モジュールでは、GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying：ガウス周波数偏移変調）方式に基づいて周波数変調を行います。GFSK方式では、正の周波数偏移を1で表し、負の周波数偏移を0で表す2進体系が使用されます。

BluetoothではLinkモジュールが使用されます。Linkモジュールは、BluetoothのLink Managerソフトウェアと密接に関連しています。LinkモジュールとLink Managerソフトウェアは、ベースバンド・プロトコルおよび他の低レベル・リンク機能（データの送受信、接続の確立、エラーの検出と修正、データのホワイトニング、電源管理、認証など）を制御する役割を持ちます。

Linkモジュールは、ホップ順序の導出にも関与します。ホップ順序を導出するときには、マスター機器のBluetooth Deviceアドレス（BD_ADDR）が使用されます。すべてのBluetooth機器には、48ビットのIEEE 802アドレスが割り当てられます。マスター機器の48ビットのアドレスをピコネット内の各機器で使用して、ホップ順序が導出されます。

また、Linkモジュールは、Bluetoothで定義された3種類のエラー修正スキームを実行する役割も持ちます。

  • 1/3レートFEC（Forward Error Correction：前進型誤信号訂正）
  • 2/3レートFEC
  • データに関してはARQ（Automatic Retransmission Request：自動再送要求）スキーム

2種類のFECスキームの目的は、再伝送の回数を減らすことです。ARQスキームでは、伝送が成功したことを示す確認応答を受信するまで（または、事前に指定されたタイムアウトが発生するまで）データの再送信を続けます。各パケットにはCRC（Cyclic Redundancy Check：巡回冗長検査）コードが追加されます。受信側はこのCRCコードを使用して、パケットがエラーのない状態で到着したかどうかを判断します。ARQスキームはデータ・パケットのみに適用され、音声などの同期ペイロードには適用されないことに注意してください。

Bluetoothでは、極めて冗長なデータを削減して直流バイアスを最小化するために、データ・ホワイトニング（漂白化）スキームを使用してデータを乱処理（スクランブル）します。データの送信側では、データ・ホワイトニング用ワードを使用してデータをスクランブルします。データの受信側では、同じワードを使用してデータのスクランブルを解除します。スクランブルの解除は、エラーの検出/修正処理の後で実行されます。Bluetoothでは、バッテリを長持ちさせるために、3種類の低電力モードを用意しています。これらの3種類のモードは、電力消費量の多い順番にSniffモード、Holdモード、Parkモードと呼ばれます。Sniffモードでは、通常よりも長い間隔で（少ない回数で）機器からピコネットにリスニング信号が送信されます。Sniffモードでのリスニング間隔はユーザーが指定できるため、適用業務や目的に合わせて柔軟な設定が可能です。HoldモードはParkモードと似ていますが、待機中でもActive Memberアドレス（AM_ADDR）が保持される点が異なります。Parkモードでは、機器のクロックが動作を続けてマスターとの同期が保たれますが、機器自身はピコネットにまったく参加しません。

開発ロードマップ

  • 他の機器との干渉を最小限に抑えるために、周波数ホッピング方式を調整できるようにする。
  • 接続確立までの時間（現在は3～20秒）を短縮する。
  • スキャターネットのサポートを強化する（1つの機器が複数のピコネットに参加できるようにする）。
  • 3つのeSCOチャンネル（エラー・チェック音声チャンネル）を追加する。
  • セキュリティ・モードを強化する。
  • データのスループット速度を向上させる。
  • 接続レンジを拡大する。

    • Links

    　

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