Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (BLE)とは

Bluetooth Low Energy（BLE、Bluetooth LEとも呼ばれる）は、無線PAN技術であるBluetoothの一部で、バージョン4.0から導入された低消費電力の通信モードです。従来のBluetooth（Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate, BR/EDR）と比較して、省電力かつ低コストでの通信や実装を目的として設計されました。BLEはBR/EDRとは独立した規格であり、互換性はありませんが、両規格を同じデバイスに共存させることは可能です。

BLEの原型は、2006年にNokiaによって開発された「Wibree」という仕様であり、2009年12月にBluetooth Low EnergyとしてBluetooth 4.0に統合されました。現在では、パーソナルコンピュータやモバイル端末など、多くのデバイスで標準的にサポートされており、スポーツ、フィットネス、医療、PC周辺機器、ビーコンなど、幅広い分野で利用されています。

概要

BLEの基礎となったのは、Nokiaによって開発された「Wibree」という仕様です。その後、Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) に引き継がれ、2009年12月にBluetooth 4.0の一部としてBLEが追加されました。以降、2013年12月にBluetooth 4.1、2014年12月に4.2、2016年12月に5.0、2019年1月に5.1、2020年1月に5.2、2021年7月に5.3と、アップデートが重ねられています。BLE 4.0、4.1、4.2の間には後方互換性が保証されています。

BLEは、従来のBR/EDRのメジャーバージョンアップではなく、全く別の規格として策定されました。BR/EDRと比較して、省エネルギー、簡素な構造、低コストが特徴であり、これらの点を追求することに重点が置かれています。安価なハードウェアと拡張性の高いデータモデルがBLEの普及を後押ししています。

呼称

Bluetooth 4.0がリリースされた当初、Bluetooth LEは「Bluetooth Smart」や「Bluetooth Smart Ready」といった名称で呼ばれていました。従来のBluetooth BR/EDRのみを実装したものを「Bluetooth」、BLEのみを実装したものを「Bluetooth Smart」、BLEとBR/EDRの両方を実装したものを「Bluetooth Smart Ready」と区別する提案がされていました。また、これらの互換性を分かりやすくするため、Bluetooth SIGは2011年にロゴ策定を発表しました。

しかし、2016年にBluetooth SIGは「Bluetooth Smart」および「Bluetooth Smart Ready」の商標を廃止し、以降は「Bluetooth」という名称に統一されました。Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) は、「Bluetoothクラシック」(Bluetooth Classic) と呼ばれることもあります。

機能

Bluetooth BR/EDRとの互換性

BLEはBluetooth BR/EDRとは異なる規格であるため、互換性はありません。しかし、Bluetooth 4.0の仕様では、LEとBR/EDRのどちらか、または両方を実装することが許可されています（デバイスタイプは、BR/EDR、LE only、BR/EDR/LEの3通り）。また、LEはBR/EDRと同様に2.4GHz帯の周波数を利用するため、両方をサポートするデバイスでは、一つのアンテナを共有することができます。

互換性に関する情報は、Bluetooth SIGが公開しているデバイスリストで確認できます。

通信速度と到達距離

BLEの通信速度は、Bluetooth 4.0では1Mbps、Bluetooth 5では2Mbps, 1Mbps, 500kbps, 125kbpsです。ただし、実際の通信速度は様々な制約により10kbps程度にとどまることがあります。これは、BLEが省エネルギーを重視しているため、通信速度を抑えることで消費電力を削減するというトレードオフの結果です。

到達距離についても、30メートル以上に設定することは可能ですが、実際には5メートル程度に短くされることが多く、これも省エネルギーのためです。Bluetooth 5では、通信速度を125kbpsにすることで、最大到達距離が400mまで拡大しました。

ネットワーク構成

BLEでは、デバイス間の通信方法として、ブロードキャストとコネクションの2種類が定義されています。これらの方法は、同一のBLEネットワーク内で混合して使用することが可能です。

ブロードキャスト

ブロードキャストは、あるBLEデバイスから別のBLEデバイスへ一方的にデータを送信する通信方法です。ブロードキャスターと呼ばれるデバイスが定期的にデータを送信し、オブザーバーと呼ばれるデバイスがそれを受信します。ブロードキャスターが送信するデータはアドバタイズパケットと呼ばれ、自由にデータを設定できます。

ブロードキャストの主な特徴は、1つのブロードキャスターが不特定多数のオブザーバーに同時にデータを送信できることです。このため、機密性の高いデータのやり取りには不向きです。例えば、温度計が測定したデータを定期的に送信し、スマートフォンアプリがそれを受信するような用途があります。AppleのiBeaconもブロードキャストを利用した技術の1つです。

コネクション

コネクションは、2つのBLEデバイス間で相互にデータを送受信する通信方法です。ブロードキャストとは異なり、データの送受信はコネクションに参加したデバイス間でのみプライベートに行われます。

コネクションを確立する側をセントラル（マスター）、コネクション要求を受け付ける側をペリフェラル（スレーブ）と呼びます。一般的に、スマートフォンやPCがセントラルを、周辺機器がペリフェラルを担当します。ペリフェラルは、実装要件がセントラルよりも容易かつ安価になるように設計されており、BLE対応の周辺機器が普及する要因となっています。セントラルは複数のペリフェラルと接続できますが、実際にはリソースの関係で最大8台程度に制限されることがあります。一方、ペリフェラルは1つのセントラルにしか接続できません。

通信には、Generic Attribute Profile (GATT) というデータ構造定義が用いられ、GATTの高い拡張性により、様々なデバイスが様々な目的でコネクションを使用できます。

PCやスマートフォンなどのOSやBluetoothアダプタは、一般的にセントラルロールをサポートしますが、ペリフェラルロールをサポートするかどうかは各デバイスのOSやハードウェアによります。サーバー向けOSでは、Bluetooth自体をサポートしていない場合があります。多くのアプリケーションでは、接続が完了すると、セントラルとペリフェラルはサーバーとクライアントの役割を担います。通常はペリフェラルがサーバー、セントラルがクライアントとなりますが、状況によっては逆になることもあります。

GAPとGATTの役割は独立しています。

プロトコルとプロファイル

BLEには、Bluetooth BR/EDRと同様に、プロトコルとプロファイルという2つの仕様定義があります。

プロトコル

プロトコルには、すべてのBLEデバイスが利用する定義が含まれており、以下の階層構造を持っています。

コントローラー
物理層 (PHY)
リンク層 (LL)
ホストコントローラーインターフェイス (HCI)
ホスト
ホストコントローラーインターフェイス
セキュリティマネージャ (SM)
属性プロトコル (ATT)
論理リンク制御およびアダプテーションプロトコル (L2CAP)
汎用属性プロファイル (GATT)
汎用アクセスプロファイル (GAP)
アプリケーション

これらの定義には、デバイス間のペアリングやデータ送受信の方法、通信周波数などのハードウェア的な定義が含まれています。

プロファイル

プロファイルには、BLEデバイスにおいて用いられるデータの送受信定義やユースケースなどが含まれます。GATTとGAPはプロトコルに含まれる特殊なプロファイルであり、他のプロファイルとは区別されます。BLEのプロファイルは、Bluetooth BR/EDRのプロファイルとは全く異なるものであり、互換性はありません。

GAPとGATT

汎用アクセスプロファイル (GAP) には、ブロードキャストや検索の方法、コネクションの確立と管理方法が定義されています。GAPはBLE仕様の最上位に位置する定義であり、すべてのBLEデバイスが準拠する必要があります。

汎用属性プロファイル (GATT) には、デバイスが保持するデータ要素の検索方法や、書き込み、読み出し、プッシュなどのデータモデルが定義されています。すべてのBLEデバイスはGATTに基づいてデータのやり取りを行います。GATTは、他のプロファイルの基底となる、データ層の最上位の定義です。

その他のプロファイル

GAPとGATT以外のプロファイルは、ユースケースごとにデバイスの振る舞いやデータ構造を定めた仕様セットです。Bluetooth SIGが策定したプロファイルには、以下のようなものがあります。

Find Me Profile: デバイスの位置を特定するためのプロファイル
HID over GATT Profile: マウスやキーボードなどに用いるプロファイル
Health Thermometer Profile: 体温計プロファイル

その他、多数のプロファイルがBluetooth SIGのAdopted Specificationsにリストされています。また、Bluetooth SIGが策定していないユースケースのために、メーカーが独自にプロファイルを策定することも可能です。iBeaconはその一例です。

アプリケーション

Bluetooth SIGは、元のBluetooth仕様を元に、BLEデバイス向けのいくつかのプロファイルを定義しています。製造業者は、互換性を確保するために、デバイスに適切な仕様を実装する必要があります。デバイスには複数のプロファイルが含まれる場合があります。

現在、多くのBLEアプリケーションプロファイルは、Generic Attribute Profile（GATT）に基づいています。これは、BLEリンクを介して、属性と呼ばれる短いデータを送受信するための一般的な仕様です。Bluetoothメッシュプロファイルはこの例外であり、General Access Profile（GAP）に基づいています。

メッシュプロファイル

Bluetoothメッシュプロファイルは、BLEを使用して、ネットワーク内の他のBLEデバイスと通信を行います。各デバイスは、「メッシュ」を構成する他のBLEデバイスを経由して情報を転送します。たとえば、1台のスマートフォンから建物全体の照明を制御できます。

MESH (メッシュプロファイル): メッシュネットワーキングの基礎となるプロファイル
MMDL (メッシュモデル): アプリケーション層の定義。メッシュ仕様では「プロファイル」の代わりに「モデル」という用語が使用されます。

ヘルスケアプロファイル

ヘルスケアアプリケーション向けのBLEデバイスには、多数のプロファイルがあります。Continua Health Alliance コンソーシアムは、Bluetooth SIGと協力してこれらの普及を推進しています。

BLP (Blood Pressure Profile): 血圧測定用プロファイル
HTP (Health Thermometer Profile): 医療用温度測定デバイス用プロファイル
GLP (Glucose Profile): 血糖値モニター用プロファイル
CGMP (Continuous Glucose Monitor Profile): 連続血糖値モニター用プロファイル

スポーツとフィットネスのプロファイル

スポーツやフィットネスアクセサリー向けのプロファイルには、以下のようなものがあります。

BCS (ボディコンポジションサービス)
CSCP (Cycling Speed and Cadence Profile): 自転車やエアロバイクに取り付けられた速度やケイデンスセンサー用プロファイル
CPP (Cycling Power Profile)
HRP (Heart Rate Profile): 心拍数計測用プロファイル
LNP (Location and Navigation Profile)
RSCP (Running Speed and Cadence Profile): ランニング時の速度とケイデンス計測用プロファイル
WSP (Weight Scale Profile): 体重計用プロファイル

インターネット接続

IPSP (Internet Protocol Support Profile)

汎用センサー

ESP (Environmental Sensing Profile)
UDS (User Data Service)

HID接続

HOGP (HID over GATT Profile): BLE対応のワイヤレスマウス、キーボードなどのデバイスを可能にし、バッテリー寿命を向上させるプロファイル

近接センシング

このアプリケーションは、常時接続デバイスのバッテリー寿命を延ばすのに適しています。iBeaconデバイスの製造業者は、Apple社のiOSデバイスでサポートされる近接センシング機能を利用するために、デバイスに適切な仕様を実装しています。

関連するアプリケーションプロファイルには、以下のようなものがあります。

FMP (“find me”プロファイル): デバイスの位置を特定するためのプロファイル
PXP (Proximity Profile): 近接モニターが近接レポーターの存在を検出するためのプロファイル

アラートとタイムプロファイル

電話アラートステータスプロファイルとアラート通知プロファイル: 他のデバイスからの着信アラートなどの通知を受信するためのプロファイル
タイム (Time) プロファイル: ネットワーク時刻を基にクライアントデバイスの時刻を同期するためのプロファイル

バッテリー

バッテリーサービスは、デバイスのバッテリー状態とレベルを公開します。

オーディオ

LE Audioは、従来のBluetooth音声規格 (Classic Audio) を再定義するものです。デフォルトのコーデックとしてLC3を採用し、低遅延、マルチストリームの仕様が標準化され、複数デバイスへの同時配信が可能になります。また、補聴器のサポートも追加されます。

接触追跡と通知

COVID-19のパンデミックに対応するため、ウェアラブル接触通知サービスの仕様案がリリースされました。このサービスにより、ウェアラブルデバイスの接触通知サービスは、スマートフォンなどのクライアントデバイスと通信して制御できるようになります。

ハードウェア実装

チップ

2009年以降、多くのメーカーからBLE対応のICチップが発表されています。実装には一般的にソフトウェア無線が使用されるため、仕様のアップデートはファームウェアのアップグレードによって対応できます。

対応OS

PC
Microsoft Windows: セントラルロールはWindows 8以降、ペリフェラルロールはWindows 10 Creators Update以降
macOS: セントラルロールはバージョン10.7以降、ペリフェラルロールはバージョン10.9以降
Linux: 3.4以降 (BlueZ 5.0による対応)
モバイル
Android: セントラルロールはバージョン4.3以降、ペリフェラルロールはバージョン5.0以降、Bluetooth 5はバージョン8.0以降
iOS: セントラルロールはバージョン5.0以降、ペリフェラルロールはバージョン6.0以降
Windows Phone 8.1以降
BlackBerry 10

BLEアプリケーションを開発するには、OSによるGATT APIのサポートが必要になります。

また、Web Bluetooth APIという実験的な技術により、Webブラウザ上でBLEペリフェラルデバイスと接続・通信するための機能も提供されています。

ターゲット市場

Bluetooth SIGは、省電力技術の市場として、スマートホーム、健康、スポーツ、フィットネスなど、様々な分野を挙げています。

ボタン電池で長期間動作する機器
小型で低価格な機器
携帯電話、タブレット、PC周辺機器など、市場シェアの大きい製品への対応

参考文献

* 「Bluetooth Low Energyをはじめよう」 Kebin Townsend、Carles Cufi、Akiba、Robert Davidson著、水原文訳、オライリー・ジャパン、2015年。 ISBN 978-4-87311-713-3

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