Bluetooth® Low Energyの推進

著者 Panasonic

DigiKeyの提供

2014-08-15

Bluetooth^® Low Energy（BLE）は、お客様の電子設計の一部ではまだないかもしれませんが、その可能性はすぐに出てくるでしょう。このワイヤレスコネクティビティ技術は、これまでの3年間にわたって爆発的な成長を遂げてきました。現在、スマートウォッチ、フィットネストラッカー、スマートフォンアクセサリ、および医療モニタなどの何百万もの電子デバイスに低電力コネクティビティを提供しています。まもなく起こる技術的強化により、BLEは、次世代の民生用電子機器や新興のモノのインターネットにおいてさらに浸透する準備が整っています。

こうした強化の多くが、コア仕様への最近のアップデートであるBluetooth 4.1に組み込まれています。それらの中には、より効率的なバルクデータ転送のサポート、デバイス間の通信柔軟性の向上、同時デュアルモードの役割、そしてIPベース通信への最初のステップなどがあります。総合すれば、これらの技術的強化により、BLEは、消費電力、性能、コストの観点からさらに魅力的になっています。

Bluetooth 4.1で示される強化に加えて、BLEチップ自体は引き続き向上しています。効率性の向上により、第2世代のBLEにおける送信消費電力は、範囲または性能の損失がなく約66%低下します。

BLEに対して最近行われたすべての変更やまもなく行われるより多くの変更を踏まえ、その技術の現状や今後の方向性を考察するには今が良い時期です。

BLEの基礎

最大データ転送レートよりもむしろ低消費電力向けに最適化されているワイヤレス通信デバイスには、BLEがまさに適しています。その消費電力は、Bluetooth Classicが必要とする平均電力のわずか100分の1です。 BLEのピーク電流消費は、Bluetooth Classicの40mA以上に対して、最小15mAです。このような低い電流消費により、BLEは、アプリケーションに応じて、数か月または数年にわたって単一のコイン電池で動作することができます。

BLEは、主に、その無線がほとんどの時間オフにされていることで、その低消費電力を達成します。 BLEは、3個のアドバタイジングチャンネルのみをスキャンし、その無線は、8～27オクテットの小さなパケットサイズを備えた、データの短いバーストを送受信するためのみにアクティブ化されます。 BLEはまた、非常に素早く接続をセットアップするため、時間通りに無線をさらに最小化します。 BLEは、Bluetooth Classicの1000msに対して、わずか3msで認証済みデータを送信できます。

データレートに関して、BLEの実際的な最大データレートは一般的に、100kbs未満で優れています。したがって、それは、最大3Mbpsのデータレートを提供するBluetooth Classicで可能な連続データストリーミングアプリケーション向けに意図されていません。

BLEはまた、Bluetooth Classicとは異なる他の技術を有しています。それらの中で主な技術として、BLEは、各スレーブ用のあらゆるパケットでスターネットワークトポロジおよび32ビットアクセスアドレスを使用するため、理論上は、何十億個ものデバイスが特定の時間で接続されることが可能です。それとは対照的に、Bluetooth Classicのピコネットトポロジで一度に接続可能なデバイス数は、最大8個です。

図1：Bluetooth Low Energyデバイスは、単一のコインサイズ電池で数年にわたって動作することができます。

BLEの他の技術的特長には、次の項目があります。

最適化されたGSFK変調。 Bluetooth Classicと同様に、BLEはGSFK変調方式を使用します。ただし、BLEは、ビットエラーレートの低減のために、より高い変調指数および2MHzのチャンネルを使用し、より大きな範囲を実現します。
適応型周波数ホッピング。 BLE技術は、デバイスの接続時に、Bluetooth Classicと同じ適応型周波数ホッピング方式を使用します。適応型周波数ホッピングにより、2.4GHzのISM帯域で動作する多数のワイヤレスデバイスによって共有される、このスペクトルにおける他の技術からの干渉が最小化されます。
堅牢性。 BLEは、各パケットで単一の24ビット巡回冗長検査（CRC）を使用するため、ヘッダおよびデータフィールドは、奇数のビットエラーや、2および4ビットエラーを検出することができます。 16または32ビットCRCに対して、24ビットCRCが、BLEのデータペイロード向けに最適化されています。
厳重なセキュリティ。 BLE暗号化および認証は、データを保護するために米国政府によって開発された128ビットAdvanced Encryption System（AES-128）を使用して実装されます。

Bluetooth 4.1のもう1つの重要な側面は、そのデュアルモード機能です。センサまたは電話アクセサリなどのデバイスは、多くの場合、BLEのみを使用する一方で、スマートフォンやタブレットは、BLEとBluetooth Classicの両方を介して通信するワイヤレスハブとして頻繁に機能します。 Bluetoothコア仕様により、このデュアルモード実装が可能になります。本質的に、デュアルモードモジュールは、ClassicおよびBLE通信スタックを組み合わせ、共有アンテナを許容します。シングルおよびデュアルモードデバイスはそれぞれ、Bluetooth SmartおよびBluetooth Smart Readyとして指定されます。

BLEの今後の動向

現状においても、BLE技術は、低電力ワイヤレスコネクティビティを必要とするデバイス向けの優れたソリューションをすでに提供しています。しかし、BLEは、電力効率がさらに高くなろうとしており、Bluetooth 4.1に含まれる強化により、モノのインターネットを構成する次世代のワイヤレスデバイスやスマートオブジェクトの設計が容易になります。

レガシーデバイスとの下位互換性を維持するBluetooth 4.1へのこれらの強化には、次の項目が含まれます。

複数の役割のサポート。リンクレイヤおよびデュアルモードトポロジへの変更により、デュアルモードデバイスは、Smart Readyハブおよびスマートデバイスとして同時に機能することができます。
データ交換の効率性。接続指向のチャンネルを、L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）に追加することで、オーバーヘッドを最小化しながら、BLEデバイス間のバルクデータ転送を効率化することができます。
接続の向上。技術者は、自動再接続を含む、Bluetooth接続の作成および維持においてより多くの柔軟性を有します。
IPベースの接続。新しいコア仕様は、モノのインターネットへの道を開き、専用のL2CAPチャンネルを追加することで、IPv6通信の技術的基礎を構築します。

低電力ワイヤレスの代替

Bluetooth Low Energy（BLE）は、低電力ワイヤレス通信に関して、唯一の選択肢ではありません。 ANTおよびZigBeeは、BLEと重複する機能を有しており、両方のワイヤレス規格には用途があります。しかし、技術的機能や、BLEがオープンプロトコルである事実を考慮すると、BLEには大きな利点があります。

図2：ZigBeeとBLE間の電池寿命およびデータレートの比較。

Bluetooth Low Energyの実装戦略

お客様のアプリケーションプロトコルを決定した後、次の質問はその実装方法であり、その答えとして、BLEモジュールの購入か、またはお客様自身のディスクリートソリューションの構築があります。両方のアプローチは実行可能ですが、モジュールの選択肢のほうが明らかに有利である次の3つのシナリオがあります。

少ない生産量。モジュールは、100,000ユニット未満の生産量で、ディスクリート部品を凌ぐ明確なコスト優位性を備えています。チップベースのBLE実装の開発、製造、RF認証、および試験コストを集計すると、そのコストは一般的に$150,000～$200,000に落ち着くことが分かるでしょう。 100,000未満の量でのそれらのコストおよびRFコストの償却は、極めて高い可能性があります。 100,000～150,000の量で、モジュールまたはチップソリューションのどちらかは、総費用の観点から理にかなう可能性があります。 150,000ユニットを超えると、ディスクリートソリューションにバランスが振れます。
市場投入までの時間短縮の目標。モジュールはまた、市場投入までの時間という考慮事項が関与する時に利点を備えています。ディスクリートRFアプリケーションは一般的に、開発に3～6か月を要し、その期間は、経験のあるエンジニアリングチームに当てはまります。カスタムプログラミングの大部分を、APIおよび文字列コマンドセットで置き換えることで、モジュールは開発プロセスを著しく効率化します。モジュールはまた、あらかじめ認証済みであるため、認証プロセスの時間およびコストが不要になります。肝心な点は、数週間のうちに新しい製品設計にモジュールを組み込むことが可能で、市場投入までの時間短縮において大きな利点をもたらすことです。
長いライフサイクル。モジュールは、集積回路よりも長持ちする可能性があるライフサイクルを備えた製品において旧式化に耐えることができます。モジュール設計は、レガシーのピン配列、機能性、サイズ、またはファームウェアインターフェースに変更を加えることなく、必要な時に新しいチップを組み込むことが可能です。

図3：モジュール対チップ費用。

Bluetooth Low Energyモジュール

Panasonicは、入手可能な複数のBLEモジュールを有しています。これらの3つを下記にご紹介します。

PanasonicのPAN1740シングルモードBluetooth LEモジュールの画像

図4：PAN1740シングルモードBluetooth LEモジュール。

PAN1740シングルモードBluetooth Low Energyモジュール — 「nanoPower」

0dBmでの送信電流：5mA
小型フットプリント：9 x 9.5 x 1.9mm
高感度（-93dBm標準）
最大0dBmまでの送信電力制御
プレースアンドプレイ
自律的なスタンドアロン動作
Bluetooth Smart®モジュール
組み込みBLEスタックおよびGATTプロファイル
産業用温度範囲：-40°C～85°C
2つの水晶発振器内蔵
EMI耐性のための統合型シールド
外付け部品不要

PanasonicのPAN1720/PAN1721シングルモードBluetooth LEモジュールの画像

図5：PAN1720/PAN1721シングルモードBluetooth LEモジュール。

PAN1720およびPAN1721シングルモードBluetooth Low Energyモジュール

15.6 x 8.7 x 1.9mmの寸法の面実装パッケージ
送信電力制御を備えた、最大4.0dBmの標準送信電力
高感度、標準-94dBm
Texas InstrumentsのCC2540シングルチップBLEソリューションに基づく
高性能、低電力8051マイクロコントローラコア
外付け部品不要
高速接続セットアップ
水晶発振器内蔵、26MHz
スリープタイマ用32kHz水晶発振器内蔵
2つの強力なUSART
バッテリモニタおよび温度センサ
PAN1720はUSBインターフェースを提供
PAN1721はI²Cインターフェースを提供

PanasonicのPAN1326デュアルモードBLEおよびClassicモジュールの画像

図6：PAN1326デュアルモードBLEおよびClassicモジュール。

PAN1326デュアルモードBLEおよびClassicモジュール

送信電力、受信感度、ブロッキングのためのクラス最高のBluetooth RF性能
完全適格のBluetooth v4.0 + EDR
寸法：6.5mm x 9mm x 1.7mm（PAN1316）
認証：Bluetooth、FCC、CE、IC
動作温度範囲：-40°C～85°C
プロファイル：すべてのプロファイルに対応
TIのCC2564に基づく
ほぼすべてのマイクロコントローラと統合
ACLおよびeSCO両用の非常に高速のアルゴリズム
拡張レンジ、送信電力10.5dBm標準出力をサポート

Bluetooth 4.1に含まれる強化は、2014年の初めにBLE、デュアルモードチップおよびモジュールに実装され始める見込みです。今後、電池駆動アプリケーション向けに電力バジェットに好影響を及ぼす継続的なBLE革命が期待されます。

この革命の始まりは、市場に出荷されている新しいBLEディスクリートICおよびモジュールに見られます。個々のメーカーが、PanasonicのnanoPowerファミリなどの商品名をすでに採用していますが、これらのデバイスは一般的に、超低電力BLEとして知られています。ナノパワーデバイスは、現世代のBLEデバイスと比べて66%以上、そしてBluetooth Classicデバイスと比べて90%近く送受信消費電流を低減します。さらに、こうした電流低減は、範囲や送信電力を削減せずに、かつBluetooth仕様の変更なしで達成されます。