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Bluetooth Low Energy（Bluetooth LE、通称BLE 、以前はBluetooth Smart [ 1 ]として販売されていた）は、Bluetooth Special Interest Group（Bluetooth SIG）[ 2 ]によって設計および販売されている無線パーソナルエリアネットワーク技術であり、ヘルスケア、フィットネス、ビーコン [ 3 ]、セキュリティ、ホームエンターテイメント業界 [ 4 ]における新しいアプリケーションを目的としています。従来のBluetoothと比較して、Bluetooth Low Energyは、同様の通信範囲を維持しながら、消費電力とコストを大幅に削減することを目的としています。
BLEと従来のBluetoothは異なる無線周波数セットを使用しており、BLEは従来のBluetoothとは独立しており直接的な互換性はありませんが、Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate（BR/EDR）とBLEは共存できます。元の仕様は、2006年にNokiaによってWibreeという名前で開発され、 [ 5 ] 2009年12月にBluetooth Low EnergyとしてBluetooth 4.0に統合されました。
iOS、Android、Windows Phone、BlackBerryなどのモバイルオペレーティングシステム、およびmacOS、Linux、Windows 8、Windows 10、Windows 11などのデスクトップコンピュータのオペレーティングシステムは、Bluetooth Low Energyをネイティブにサポートしています。
Bluetooth Low Energyは、従来の（しばしば「クラシック」と呼ばれる）Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate（BR/EDR）プロトコルとは異なりますが、1つのデバイスで両方のプロトコルをサポートできます。Bluetooth 4.0の仕様では、デバイスがLEシステムとBR/EDRシステムのいずれか、または両方を実装することが許可されています。
Bluetooth Low Energyは、従来のBluetoothと同じ2.4GHz 無線周波数を使用するため、デュアルモードデバイスが単一の無線アンテナを共有できますが、よりシンプルな変調方式を使用します。[ 6 ]
2011年、Bluetooth SIGは、新しい低エネルギーデバイスと他のBluetoothデバイスとの互換性を明確にするために、Bluetooth Smartロゴを発表しました。[ 7 ]
2016年5月のBluetooth SIGのブランディング情報により、Bluetooth SIGはBluetooth SmartおよびBluetooth Smart Readyのロゴとワードマークを段階的に廃止し、新しい青色のBluetoothロゴとワードマーク[ 9 ]を使用するようになりました。
Bluetooth SIGは、特にスマートホーム、健康、スポーツ、フィットネス分野において、低エネルギー技術の市場を数多く特定している。[ 10 ]挙げられている利点には以下がある。
2001年、ノキアの研究者たちは、当時の無線技術では対応できないさまざまなシナリオを特定しました。[ 11 ]同社は、Bluetooth規格を応用した無線技術の開発に着手し、Bluetooth技術との違いを最小限に抑えつつ、消費電力とコストを削減することを目指しました。その成果は、Bluetooth Low End Extensionという名称で2004年に発表されました。[ 12 ]
パートナー、特にロジクール社および欧州プロジェクトMIMOSA [ a ]とのさらなる開発を経て、初期段階からSTマイクロエレクトロニクス社によって積極的に推進および支援されてきた[ b ]この技術は、2006年10月にWibreeというブランド名で一般に公開されました[ 15 ] 。Bluetooth SIGメンバーとの交渉の後、2007年6月にWibreeをBluetooth超低消費電力技術として将来のBluetooth仕様に含めることで合意に達しました[ 16 ] [ 17 ] 。
この技術は Bluetooth Smart として販売され、コア仕様のバージョン 4.0 への統合は 2010 年初頭に完了しました。[ 18 ] 4.0 仕様を実装した最初のスマートフォンは、2011 年 10 月に発売されたiPhone 4Sでした。 [ 19 ]他の多くのメーカーも 2012 年に Bluetooth Low Energy Ready デバイスを発売しました。
Bluetooth SIG は、2016 年 6 月 16 日にロンドンで開催されたメディア イベントで Bluetooth 5 を正式に発表しました。マーケティング面での変更点の 1 つは、ポイント番号が削除され、Bluetooth 5 と呼ばれるようになったことです (Bluetooth 4.0 のように Bluetooth 5.0 や 5.0 LE とは呼ばれません)。この決定は、「マーケティングを簡素化し、ユーザーのメリットをより効果的に伝える」ために行われました。[ 20 ]技術面では、Bluetooth 5 は、送信電力の増加またはコード化された物理層を使用することで範囲を 4 倍にし、Bluetooth 4.x と比較してシンボル時間を半分にするオプションを使用することで速度を 2 倍にし、Bluetooth 4.x と比較して低エネルギー Bluetooth 送信の広告データの長さを増やすことでデータ ブロードキャスト容量を 8 倍に増加させます。これは、ノードが家全体で接続されているIoTアプリケーションにとって重要になる可能性があります。 [ 21 ] Bluetooth 用語で「広告パケット」とは、ペアリング前、つまり接続されていないときに2 つのデバイス間で交換される情報です。例えば、アドバタイジングパケットを使用すると、デバイスは別のBluetoothデバイスとペアリングする前に、そのデバイスの名前をユーザーに表示できます。[ 22 ] Bluetooth 5では、このアドバタイジングパケットのデータ長が長くなりました。Bluetooth 4.xでは、このパケットの長さは31バイトでした（ブロードキャストトポロジの場合）。
Bluetooth SIGは2017年7月18日にメッシュプロファイルとメッシュモデルの仕様を正式にリリースしました。メッシュ仕様により、ホームオートメーション、センサーネットワーク、センサー、ロボット、スマートフォン、その他の機器を連携させる必要があるその他のアプリケーションで、 Bluetooth Low Energyを使用して多対多のデバイス通信が可能になります。[ 23 ] [ 24 ]
Bluetooth SIGは、オリジナルのBluetooth仕様を基に、低消費電力デバイス向けに、特定のアプリケーションにおけるデバイスの動作方法を規定する複数のプロファイル（プロファイル）を定義しています。メーカーは、互換性を確保するために、自社デバイスに適した仕様を実装することが求められます。1つのデバイスに複数のプロファイルが実装されている場合もあります。
現在の低エネルギーアプリケーションプロファイルの大部分は、低エネルギー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ある汎用属性プロファイル（GATT）に基づいています。[ 26 ] Bluetoothメッシュプロファイルはこの規則の例外であり、汎用アクセスプロファイル（GAP）に基づいています。[ 27 ]
Bluetoothメッシュプロファイルは、Bluetooth Low Energyを使用してネットワーク内の他のBluetooth Low Energyデバイスと通信します。各デバイスは情報を他のBluetooth Low Energyデバイスに転送して、「メッシュ」効果を生み出します。たとえば、1台のスマートフォンから建物全体の照明をオフにすることができます。[ 28 ]
医療用途におけるBluetooth Low Energyデバイスには、多くのプロファイルが存在します。Continua Health Allianceコンソーシアムは、Bluetooth SIGと協力してこれらのプロファイルを推進しています。
スポーツ用品およびフィットネス用品のプロファイルには以下が含まれます。
「電子リーシュ」アプリケーションは、「常時オン」デバイスで可能な長いバッテリー寿命に非常に適しています。[ 29 ] iBeaconデバイスのメーカーは、AppleのiOSデバイスでサポートされている近接センシング機能を利用するために、デバイスに適した仕様を実装しています。[ 30 ]
関連するアプリケーションプロファイルには以下が含まれます。
近接センシングの使用例としては、クラウド支援型Bluetooth Low Energy（caBLE）を使用したWebAuthnハイブリッドトランスポートがあり、スマートフォンなどのローミング認証デバイスがWebAuthn認証情報（パスキーと呼ばれる）で認証できるようになります。Bluetooth Low Energyは、ローミング認証デバイスとクライアント（パーソナルコンピュータなど）間の近接チェックとして使用されます。[ 25 ]
2020 年 1 月に発表された LE Audio はBluetooth 5.2 / 5.3をベースに構築されています。これにより、Bluetooth LE プロトコルでオーディオを伝送できるようになり、通常の Bluetooth Audio に比べてバッテリー消費量が少なくなります。[ 32 ] 1 組のヘッドホンを複数のオーディオ ソースに接続したり、複数のヘッドホンを 1 つのソースに接続したりする機能 ( Auracastとして知られています)。[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]および補聴器のサポート。[ 36 ] LC3 をデフォルトのコーデックとして導入。 [ 32 ]この規格は、Bluetooth Classic オーディオの 100～200 ms に対して、20～30 ms という低い最小レイテンシーを謳っています。[ 37 ]
Basic Audio Profile および Coordinated Set Identification の実装に関する仕様は 2021 年にリリースされ[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]、Common Audio Profile および Service は 2022 年 3 月にリリースされました[ 42 ] [ 43 ]。2022年 7 月 12 日、Bluetooth SIG は Bluetooth LE Audio の完成を発表しました[ 44 ] 。
Auracastは、公共音声放送サービスを実装しており、 Bluetoothデバイスのペアリングを経ることなく、複数の受信機を単一の音声送信機に接続できます。AuracastはBluetooth SIGが所有する商標です。
Auracast は、以下の Bluetooth LE プロファイルとサービスに基づいています: [ 45 ]
Auracast送信機は無線広告を使用して、送信機名、音声の種類、番組タイトル、言語などの利用可能なストリームに関する情報をブロードキャストし、それを受信機やスマートフォンやスマートウォッチのアプリに表示したり、受信機で処理して好みのソースに自動的に接続したりできます。[ 51 ]
Bluetooth LE対応のスマートフォンは、ヘッドホンやイヤホンなどのAuracastレシーバーを制御するアシスタントとして機能します。「Scan to Listen」として販売されているブロードキャストオーディオURIは、 QRコードでエンコードされた、またはNFCを使用して送信される、特定のオーディオストリームに接続するために必要な情報を提供します。これにより、ユーザーは、博物館のオーディオガイド、多言語同時通訳、バーやコミュニティセンターのサイレントTVスクリーン、会議場/スポーツ会場/礼拝所での公共イベントや音楽パフォーマンス、公共交通機関の駅やサービスのアナウンス、空港のフライトアナウンスなどのアプリケーションで、特定のオーディオストリームを直接選択できます。[ 52 ]
MIDI Manufacturers Association (MMA) Working Group (現在は The MIDI Association)によって開発された、Bluetooth LE MIDI (BLE-MIDI) の正式な仕様があります。[ 53 ]これは、Bluetooth Low Energy を介して MIDI データを送信するように設計されたワイヤレス プロトコルです。これは、MIDI コントローラー、キーボード、ペダルなど、データを継続的にストリーミングしないデバイス向けに、電力効率の高いワイヤレス MIDI 通信に重点を置いており、遅延もほとんどありません。これをサポートするオペレーティングシステムには、Windows 10 バージョン 1607、macOS、Android などがあります。
2020年12月、Bluetooth SIGはウェアラブル接触通知サービスのドラフト仕様を公開した。このサービスにより、ウェアラブルデバイス上の接触通知サービスがスマートフォンなどのクライアントデバイスと通信し、制御されることが可能になる。[ 54 ]
2009年後半から、多くのメーカーがBluetooth Low Energy（Bluetooth Low Energy）対応集積回路を発表し始めた。これらのICは一般的にソフトウェア無線を採用しているため、ファームウェアのアップデートによって仕様変更に対応できる。
現在のモバイルデバイスは、一般的に従来のBluetoothとBluetooth Low Energyの両方に対応したハードウェアおよびソフトウェアを搭載して発売されている。
Bluetooth Low Energy技術は、従来のBluetooth技術と同じ周波数帯域（2.400～2.4835 GHz ISM帯）で動作しますが、異なるチャネルセットを使用します。従来のBluetoothでは79個の1MHzチャネルが使用されていましたが、Bluetooth Low Energyでは40個の2MHzチャネルを使用します。チャネル内では、従来のBluetoothの基本レート方式と同様に、ガウス周波数シフト変調を使用してデータが送信されます。ビットレートは1 Mbit/s（Bluetooth 5では2 Mbit/sのオプションあり ）、最大送信電力は10 mW（Bluetooth 5では100 mW）です。詳細については、Bluetooth Core Specification V4.0 の第6巻パートA（物理層仕様）を参照してください。
Bluetooth Low Energyは、狭帯域干渉の問題に対処するために周波数ホッピングを使用します。従来のBluetoothも周波数ホッピングを使用しますが、詳細は異なります。その結果、FCCとETSIの両方がBluetooth技術をFHSS方式として分類しているのに対し、Bluetooth Low Energyはデジタル変調技術または直接拡散スペクトラムを使用するシステムとして分類されています。[ 63 ]
より詳細な技術情報は、Bluetooth SIGが発行する公式仕様書を参照してください。なお、消費電力はBluetooth仕様書には含まれていません。
BLEデバイスは、広告パケットのブロードキャストに基づく手順によって検出されます。干渉を低減するため、この手順は3つの異なるチャネル（周波数）を使用して行われます。広告デバイスは、広告間隔と呼ばれる繰り返し周期で、これら3つのチャネルのうち少なくとも1つにパケットを送信します。連続する衝突の可能性を低減するため、各広告間隔には最大10ミリ秒のランダムな遅延が追加されます。スキャナは、スキャンウィンドウと呼ばれる期間、チャネルを監視します。このスキャンウィンドウは、スキャン間隔ごとに定期的に繰り返されます。
したがって、検出遅延は確率的プロセスによって決定され、3 つのパラメータ (すなわち、広告間隔、スキャン間隔、およびスキャン ウィンドウ) に依存します。BLE の検出方式は周期間隔ベースの手法を採用しており、ほとんどのパラメータ設定で検出遅延の上限を推測できます。BLE の検出遅延は、純粋に周期間隔ベースのプロトコルのモデル[ 67 ]で近似できますが、各広告間隔に追加されるランダム遅延と 3 つのチャネル検出により、これらの予測からずれが生じたり、特定のパラメータ設定で無制限の遅延につながる可能性があります。[ 68 ]
Bluetooth Low Energyには、広告パケットで送信されるアプリケーションデータペイロードの一部または全部を暗号化できる暗号化広告データ（EAD）機能などのセキュリティインスタンスがあります。また、ブロードキャストデバイスとこのデータを受信するオブザーバーの間で鍵マテリアルを共有するための標準メカニズムも定義されており、受信時にデータを復号化できます。[ 69 ]
送信されるすべての Bluetooth LE PDU には巡回冗長検査(CRC) が含まれており、受信デバイスによって再計算され、飛行中に PDU が変更された可能性がチェックされます。[ 69 ]
すべての Bluetooth Low Energy デバイスは、汎用属性プロファイル (GATT) を使用します。Bluetooth Low Energy 対応のオペレーティングシステムが提供するアプリケーションプログラミングインターフェイスは、通常、GATT の概念に基づいています。[ 70 ] GATT には次の用語があります。
サービス値や特性値の中には、管理目的で使用されるものがあります。例えば、モデル名やシリアル番号は、汎用アクセスサービス内の標準特性として読み取ることができます。サービスには、サブ機能として他のサービスが含まれる場合もあります。デバイスの主要機能はプライマリサービスと呼ばれ、それらが参照する補助機能はセカンダリサービスと呼ばれます。
サービス、特性、および記述子はまとめて属性と呼ばれ、普遍的に一意な識別子(UUID) によって識別されます。実装者は独自の用途のためにランダムまたは擬似ランダムな UUID を選択できますが、Bluetooth SIG は標準属性用に UUID の範囲 ( xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB [ 71 ]の形式) を予約しています。効率化のため、これらの識別子は完全な UUID に必要な 128 ビットではなく、プロトコルでは 16 ビットまたは 32 ビットの値として表現されます。たとえば、デバイス情報サービスには、 0000180A-0000-1000- ...ではなく、0x180A という短いコードが割り当てられています。完全なリストは、オンラインの Bluetooth 割り当て番号ドキュメントに記載されています。
GATTプロトコルは、クライアントがサーバーに関する情報を取得するための多数のコマンドを提供します。これらには以下が含まれます。
特性の値を読み取る（サーバーからクライアントへのデータ転送）および書き込む（クライアントからサーバーへのデータ転送）ためのコマンドも提供されています。
最後に、GATTは通知と表示機能を提供します。クライアントは、特定の特性に関する通知をサーバーに要求できます。サーバーは、値が利用可能になった時点でクライアントにその値を送信できます。例えば、温度センサーサーバーは、測定を行うたびにクライアントに通知することができます。これにより、クライアントがサーバーをポーリングする必要がなくなり、サーバーの無線回路を常時稼働させる必要がなくなります。
表示は通知と似ていますが、メッセージを受信したことを確認するために、クライアントからの応答が必要となる点が異なります。
Bluetooth Low Energyは、デバイスの消費電力を極めて低く抑えるように設計されています。Cambridge Silicon Radio、Dialog Semiconductor、Nordic Semiconductor、STMicroelectronics、Cypress Semiconductor、Silicon Labs、Texas Instrumentsなど、複数のチップメーカーが2014年までにBluetooth Low Energyに最適化されたチップセットを発表しました。周辺機器と中央機器の役割を担うデバイスでは、電力要件が異なります。ビーコンソフトウェア会社Aislelabsの調査によると、近接ビーコンなどの周辺機器は、1,000 mAhのコイン型電池で1～2年間動作すると報告されています。[ 73 ]これは、Bluetooth Low Energyプロトコルの電力効率の高さによるもので、Bluetooth Classicはオーディオや高帯域幅データにも適しているのに対し、Bluetooth Low Energyは小さなパケットしか送信しません。
対照的に、中央役割の同じビーコンを継続的にスキャンすると、数時間で 1,000 mAh を消費する可能性があります。Android および iOS デバイスは、スキャンの種類と周囲の Bluetooth Low Energy デバイスの数によって、バッテリーへの影響が大きく異なります。[ 74 ]新しいチップセットとソフトウェアの進歩により、2014 年までに Android および iOS の電話は、実際の Bluetooth Low Energy 使用時の消費電力が無視できるほどになりました。[ 75 ]
Bluetooth 5 では、シンボルレートが 2 倍になった新しい伝送モードが導入されました。Bluetooth LE は従来、シンボルごとに 1 ビットを送信していたため、理論的にはデータレートも 2 倍になります。しかし、新しいモードでは帯域幅が約 1 MHz から約 2 MHz に 2 倍になるため、エッジ領域で干渉が増加します。ISM 周波数帯域の分割は変更されておらず、 2 MHz 間隔で 40 チャネルが配置されています。 [ 76 ]これは、データレートを 2 倍にした Bluetooth 2 EDR との重要な違いです。Bluetooth 2 EDR は1 MHz チャネルでπ/4-DQPSK または 8-DPSK位相変調を使用していましたが、Bluetooth 5 は引き続き周波数シフトキーイングのみを使用しています。
Bluetooth 5では、従来の1 MbitのBluetooth基本レート伝送は 1M PHYと改名されました。シンボル速度が2倍になった新しいモードは2M PHYとして導入されました。Bluetooth Low Energyでは、すべての伝送は1M PHYで開始され、アプリケーションが2M PHYへの切り替えを開始する必要があります。その場合、送信側と受信側の両方が伝送のために2M PHYに切り替わります。これは、ファームウェアのアップデートを容易にするために設計されており、エラーが発生した場合はアプリケーションが従来の1M PHYに戻すことができます。実際には、ターゲットデバイスはプログラミングステーションの近く（数メートル以内）にある必要があります。
Bluetooth 5 では、データレートが低い 2 つの新しいモードが導入されました。新しい「Coded PHY」のシンボルレートは、ベースレート 1M PHY と同じですが、モード S=2 では、データ ビットごとに 2 つのシンボルが送信されます。モード S=2 では、単純なパターン マッピング P=1 のみが使用され、各入力データ ビットに対して同じスタッフィング ビットが生成されます。モード S=8 では、データ ビットごとに 8 つのシンボルがあり、パターン マッピング P=4 によって対照的なシンボル シーケンスが生成されます。0 ビットはバイナリ 0011 としてエンコードされ、1 ビットはバイナリ 1100 としてエンコードされます。[ 77 ] P=1 を使用するモード S=2 では、範囲が約 2 倍になりますが、P=4 を使用するモード S=8 では、4 倍になります。[ 78 ]
「LE Coded」伝送では、誤り訂正方式が変更されただけでなく、根本的に新しいパケット形式が使用されています。各「LE Coded」バーストは3つのブロックで構成されています。スイッチブロック（「拡張プリアンブル」）はLE 1M PHYで送信されますが、バイナリパターン「00111100」が10回繰り返されただけのものです。これらの80ビットは通常のようにFECエンコードされず、無線チャネルに直接送信されます。その後にヘッダーブロック（「FECブロック1」）が続き、これは常にS=8モードで送信されます。ヘッダーブロックには、宛先アドレス（「アクセスアドレス」/32ビット）とエンコードフラグ（「コーディングインジケータ」/2ビット）のみが含まれています。コーディングインジケータは、S=2が可能な後続のペイロードブロック（「FECブロック2」）で使用されるパターンマッピングを定義します。[ 79 ]
Bluetooth 5 の新しいパケット フォーマットでは、単一のバーストでペイロードとして 2 バイトから 256 バイトまで送信できます。これは Bluetooth 4 の最大 31 バイトよりもはるかに大きいです。これにより、到達距離の測定と合わせて、位置特定機能が可能になります。全体として、同じ送信電力で 4 倍の到達距離が実現されますが、これはデータ量が 125 kbit で 8 分の 1 に低下するという代償を伴います。1M PHY および 2M PHY モードで引き続き使用される従来の送信パケット フォーマットは、Bluetooth 5 では「Uncoded」と名付けられています。中間の「LE Coded」S=2 モードでは、 ペイロードで 500 kbit のデータ レートが可能になり、バースト時間自体が短いため、レイテンシの短縮と消費電力の削減の両方にメリットがあります。
インターフェースは新しいBluetooth Low Energyデバイスをサポートする唯一のインターフェースであるため、BlueZ開発者はMGMTが完成した時点で古いインターフェースのサポートを終了することにしました。そのため、BlueZ 5を使用するにはLinuxカーネル3.4以降を実行する必要があります。
4.0コア仕様– GATTについては、第3巻G部で詳しく説明されています。