Bluetooth、超低電力化を実現

無線ヘッドセットに接続するためのBluetooth®トランシーバを持たない携帯電話は地球上でほとんど存在しません。 ほとんどの新しいPCは現在、同じ目的でBluetoothチップを組み込んでおり、話したり聞いたりする間にタイプすることができます。 ほとんどの新車とは言わないまでも、多くの車にはBluetoothが搭載されているため、運転中にハンズフリーで話すことができます。 ただし、その点は素晴らしいのですが、Bluetoothが適切ではない、あるいは少なくとも現在までは適切ではなかった広範なアプリケーションがあります。

Bluetoothは、比較的高速でデータの連続ストリーミングを処理するように設計された接続指向のプロトコルであるため、無線ハンドセットを携帯電話に接続するのに好適です。 低電力の維持を試みている一方で、Bluetooth仕様へのほとんどの課題は、データレートを上げることに集中してきました。 ベーシックレート（BR）により、最大720kbpsでの同期および非同期接続が可能になります。 Bluetoothバージョン2.0（2004）は、3Mbpsの（実際にはむしろ2.1Mbpsに近い）拡張データレート（EDR）を追加しました。 Bluetooth 3.0（2009）は、一緒に配置された802.11リンクにわたって通信を行う代替のMAC/PHY（AMP）を使用することで、最大24Mbpsのハイスピード（HS）データ機能を追加しました。 賢明なエンジニアリングがいくらかあったものの、高速化への探究は必然的に消費電力の増加をもたらしました。

それとは対照的に、Bluetooth Low Energyは、単一のコイン電池での数か月または数年にもわたる動作が必要な可能性がある短距離無線デバイスとともに動作する、超低電力（ULP）プロトコルとなるように当初から設計されました。 Bluetoothバージョン4.0（2010）で導入されたBluetooth Low Energyは、低頻度の間隔で小容量のデータを送信する無線センサなどの低電力デバイスとの非同期通信を実現する、シンプルなスタックを使用します。 接続はすぐに確立され、データ交換が完了するとすぐに解除されるため、PAのオンタイムを最小化し、したがって消費電力を最小限に抑えます。

Bluetoothコア仕様バージョン4.0には、「クラシックBluetooth」であるBluetooth High Speedと、Bluetooth Low Energyの完全な仕様が含まれています。 Bluetooth Low Energyは全く新しいものですが、設計者は、すでに出回っている20億個のBluetoothデバイスとの下位互換性を維持する利点を実感しました。 Bluetooth Low Energyの設計を妥協することなく、この問題を巧みに解決するために、バージョン4.0は、次の2つのタイプのデバイスを導入しました。

• デュアルモードチップ：クラシックBluetoothデバイスや、超低電力デバイスでのシングルモードチップと通信が可能。
• シングルモードチップ：Bluetooth Low Energyのコンパクトなプロトコルスタックを実行。 これらは、アーキテクチャのBluetooth Low Energy部分を使用する、他のシングルモードチップまたはデュアルモードチップと通信が可能。

市場に投入されたばかりのデュアルモードチップは今後、すべての携帯電話、PCおよび自動車でのBluetooth機能を提供します。 広範な医療用、産業用、民生用アプリケーションにおいて、レガシーBluetoothデバイスや、Bluetooth Low Energyを実行する新しい低電力デバイスと通信することができます。 この付加的機能は、ごくわずかな追加のシリコン費用で実現するのです。

アドバタイズすることは有益

Bluetooth Low Energy無線は、2.4GHz ISM帯で動作し、最大1Mbpsのデータレートを達成するためにGFSK変調を使用して40チャンネルにわたって周波数ホッピングします。 Bluetooth Low Energyは、周波数分割多元接続（FDMA）と、時分割多元接続（TDMA）の2つのデータアクセス方式を採用しています。

FDMA方式では、LE無線は、2MHzで分けられた40個の物理チャンネル間でホッピングし、そのうち3個はアドバタイジングチャンネルとして使用され、37個はデータチャンネル向けで使用されます。 TDMA方式では、1つのデバイスがあらかじめ決められた時間でパケットを伝送し、スキャニングデバイスがあらかじめ決められた間隔の後に別のパケットで応答します。 データは、イベントとして知られる2つのタイムユニットの間にBluetooth Low Energyデバイス間で伝送されます。これらのイベントは、アドバタイジングイベント（図1を参照）と接続イベント（図2を参照）です。

アドバタイジングチャンネルは、近くで利用可能なデバイスを発見することができます。 アドバタイザは、通信するデータがあることを示すパケットを送信します。 次に、スキャニングデバイスは、別のアドバタイジングパケットを送信するよう、アドバタイジングデバイスに要求し、そのアドバタイジングチャンネルで同報通信を実現することができます。または、より一般的に、スキャニングデバイスは、双方向通信リンクを設定するよう要求します。

接続が要求されると、これらの同じアドバタイジングチャンネルはそれらのデバイスを接続する役割を果たし、次にそれらのデバイスは通信用のデータチャンネルの使用へと進みます。 接続する際、イニシエーティングデバイスは、アドバタイジングまたはスレーブデバイスとの通信の待機時間を決定した後に、データ交換のチャンネルとタイミングを定義します。その後に、アドバタイジングまたはスレーブデバイスは、消費電力を最適化するために、これらのパラメータでの変更を要求することができます。

接続が確立したら、そのスキャナがマスターデバイスとなり、そのアドバタイザがスレーブとなります。 周波数ホッピングが開始され、各周波数でのいわゆる接続イベント中にデータパケットが交換されます。 マスターまたはスレーブがいつでも通信を終了することができますが、マスターが各接続イベントを開始します。

省エネ

Bluetooth Low Energyが消費電力の最小化を達成する方法の1つとして、ほんの短い間だけ無線の切り替えを行うことがあります。 Bluetooth Low Energy無線は、他のデバイスを検索するために3個のアドバタイジングチャンネルをスキャンする必要があるだけで、これを0.6～1.2msで行うことができます。一方、クラシックBluetooth無線は、32個のチャンネルを常にスキャンする必要があり、このスキャンには毎回22.5msを要します。 この巧みな方法だけで、Bluetooth Low Energyデバイスの電力消費量は、クラシックBluetoothデバイスよりも10倍～20倍少なくなります。

クラシックBluetoothと同様に、Bluetooth Low Energyは、一緒に配置された無線との干渉を最小限に抑えるために、適応型周波数ホッピングを利用します。 しかし、Bluetooth Low Energyは、干渉から保護されない、3個の固定アドバタイジングチャンネルを使用します。 これらのチャンネルは、Wi-Fi（チャンネル1）との競合が1つのインスタンス（2402GHz、チャンネル37）だけで時々発生するため、選択されました。もちろん、意図的に、Bluetooth Low Energyデータとの競合はありません。

Bluetooth Low Energyトランシーバは、1Mbpsのデータ帯域幅を備え、同じデータの伝送に要する時間は、同じ2.4GHz帯で動作するZigBee®ノードの8分の1であるため、データ速度だけで電池寿命の8倍の節約を実現します。

Bluetooth Low Energyデバイスは、他のデバイスのスキャン、接続、データ送信、有効な受信の確認、リンクの終了を3msで行うことができます。 クラシックBluetoothデバイスは一般的に、一連の同じタスクを達成するのに数百ミリ秒が必要であるため、このプロセスで2、3桁多い電力を要します。

Bluetooth Low Energyパケットはまた、クラシックBluetoothが使用するパケットよりもはるかに短いため、PAにとってオンタイムが短くなり、したがって電池の長寿命化を実現します。

最後に、Bluetooth Low Energyの変調方式はまた、その低電力プロファイルと堅牢性向上に寄与しています。 クラシックBluetoothとBluetooth Low Energyの両方は、ガウス周波数偏移変調（GFSK）を利用します。 クラシックBluetoothは0.35の変調指数を使用し、一方でBluetooth Low Energyの変調指数は、ガウス最小偏移変調（GMSK）向けのレベルに近い0.45～0.55の間で設定されています。 この結果、符号間干渉（ISI）のリスクがわずかに増えるものの、クラシックBluetoothよりも高いスペクトル効率および堅牢性が実現します。 変調指数を上げることで必要な電力はわずかに増えるものの、上記で述べた他の省エネ方法により、相殺以上の省電力を実現します。 表1は、クラシックBluetoothとBluetooth Low Energyの違いをまとめたものです。

技術仕様	クラシックBluetooth	Bluetooth Low Energy
距離/範囲	100m（330ft）	50m（160ft）
OTA（Over The Air）データレート	1～3Mb/s	1Mb/s
アプリケーションスループット	0.7～2.1Mb/s	0.26Mb/s
アクティブスレーブ	7	未定義、実装に依存
セキュリティ	64/128ビットおよびアプリケーション層、ユーザー定義	カウンタモードCBC-MACおよびアプリケーション層を備えた128ビットAES、ユーザー定義
堅牢性	適応型高速周波数ホッピング、FEC、高速ACK	適応型周波数ホッピング、Lazy Acknowledgement、24ビットのCRC、32ビットのメッセージインテグリティチェック
（非接続状態からの）待機時間	一般的に100ms	6ms
（電池寿命を決定する）データ送信合計時間	100ms	6ms
音声対応	あり	なし
ネットワークトポロジ	スキャッタネット	スターバス
消費電力	リファレンスとして1	（ユースケースに応じて）0.01～0.5
ピーク電流消費	＜30mA	＜20mA（コイン電池での動作では最大15mA）
サービスディスカバリ	あり	あり
プロファイルコンセプト	あり	あり
主なユースケース	携帯電話、ゲーム、ヘッドセット、ステレオ音声ストリーミング、自動車、PC、セキュリティ、近接、健康管理、スポーツおよびフィットネスなど	携帯電話、ゲーム、PC、携帯時計、スポーツおよびフィットネス、健康管理、セキュリティおよび近接、自動車、ホームエレクトロニクス、オートメーション、産業用など

スタックアーキテクチャ

意外なことに、全速力での動作時のシングルモードBluetooth Low Energyトランシーバの電力消費量（20mA）は、クラシックBluetoothトランシーバの電力消費量（30mA）と比べてさほど低くはありません。 エネルギー節約は主に、さまざまな電池節約方法を可能にするスタックアーキテクチャにより実現されます。

Bluetooth Low Energyプロトコルスタック（図3を参照）は、コントローラおよびホストから構成されます。 スタックのさまざまな部分は、次の項目から構成されます。

• Physical Layer（PHY）は、物理チャンネルにわたってパケット（この場合、2.4GHz ISM帯で1MbpsでのGFSKパケット）の送受信を行います。
• Link Layer（LL）は、トランシーバのRF状態を制御し、アドバタイジング、スキャニング、イニシエーティング、接続済み、またはスタンバイかどうかを決定します。
• Host-Controller Interface（HCI）は、通常SPI、USB、またはUARTにより、ホストとコントローラ間のすべての通信を処理します。
• Logical Link Control and Adaptation Protocol（L2CAP）は、上位層にデータ隠蔽サービスを提供します。 トラフィック管理を提供し、ベースバンドへのプロトコルデータユニットの送信順番を制御し、物理チャンネルへのQoSアクセスを確保します。
• Attribute Protocol（ATT）により、デバイスは、別のデバイスに対してその特定の属性を開示することができます。 ATTブロックは、専用のL2CAPチャンネルにわたってこの情報を交換できるように、属性サーバとクライアント間でピアツーピア通信を設定します。
• Security Manager（SM）は、2つのデバイスが専用のL2CAPチャンネルにわたって安全に通信できるように、暗号化およびIDキーの生成、管理、保管を行います。 Bluetooth Low Energyは、カウンタモードCBC-MACを備えた128ビットAES暗号化と、ユーザー定義のアプリケーション層を使用します。
• Generic Attribute Profile（GATT）は、ATTを使用するためのサブプロシージャを定義し、Bluetoothプロファイルの構造を指定します。 Bluetoothデバイス間のすべての通信は、GATTサブプロシージャを通じて処理されます。
• Generic Access Profile（GAP）ブロックは、アプリケーションおよびBluetoothプロファイル間のインターフェースを提供し、デバイスディスカバリ、接続、そしてセキュリティプロシージャを含むサービスを扱います。

Bluetoothアプリケーションおよびデバイスは、プロファイルと呼ばれる高度に構造化された一連のプロシージャを通じて相互に通信を行います。 プロファイルは、IrDAデバイスへの接続、または安全なリンク設定のためのプロファイルなど、非常に低レベルのものが可能で、または高レベルのアプリケーションと動作するためにグループ化することができます。 たとえば、患者の血圧（BLS）、心拍数（HRS）、および温度（HTP）をモニタするためのBluetooth Low Energyプロトコルがあります。ともに、健康管理プロファイルのグループを形成します。 Bluetooth SIGは、Bluetooth Low Energyデバイスの急増を予測している、民生、健康管理、および産業用アプリケーション向けのプロファイルを定義する過程にあります。

Bluetooth Low Energyチップ

2011年の終わりの時点で、Bluetooth Low Energyチップは市場に出現し始めたにすぎません。 Texas Instrumentsは、CC2540 Bluetoothシステムオンチップを発売し、Bluetooth Low Energyチップを市場に投入した最初のメーカーの1社です。 CC2540は、8051 MCU、8KBのRAM、128～256KBのフラッシュ、RFトランシーバ、シングルモードのプロトコルスタック、組み込みプロファイルソフトウェア、およびフルレンジのペリフェラルを統合した、シングルモードチップです。 CC2540は、マスターまたはスレーブモードで動作することができ、その電力消費量は受信モードにおいて3Vでわずか15.8mA、伝送モード（-6dBm）において18.6mAです。

TIは、開発者向けにCC2540用CC2540DK-MINI開発キットを提供しています。 このキットには、CC2540 USBドングル、CC2540キーフォブボードおよびプラスチックケース、ケーブル付きのCCデバッガ、ミニUSBケーブル、CR2032バッテリ、およびキットのドキュメントが含まれます。 付属のBToolアプリケーションプログラムとSimple Keys GATTプロファイルを使用すれば、ドングルとキーフォブ間の接続を形成して、異なるセキュリティや他の低レベル機能を試すことができます。 TIは、コンパイルし、SmartRFフラッシュプログラマおよびCCデバッガを使用してCC2540にダウンロードした後、ドングル上で実行することができる、血圧センサ、心拍センサ、健康温度計向けのサンプルソースコードを供給しています。

BlueRadios, Inc.が提供するBR-EVAL-LE4.0-S2A評価キットもまた、CC2540をベースとしています。 このキットは、シンプルなATモデムのようなコマンドと組み込みBluetoothスタックおよびプロファイル（GAP、GATT、ATT、SMP、L2CAP、そしてBATT）を備えた、すぐに使用できるBLEデバイスを提供します。 このデバイスは、RFリンクにわたってシンプルなASCII文字列を通して、またはUART、SPIまたはUSBを介してハードウェアシリアル接続を通して、構成、コマンド、制御を行うことができます。

PanasonicのENW-89820A1KFは、シングルモードBluetooth Low Energyモジュールで、携帯電話、PDA、そしてラップトップを対象としています。 この製品には、8051 MCU、最大256Kビットのフラッシュ、8KビットのRAM、AESセキュリティコプロセッサ、IR生成回路、USB 2.0インターフェース、および完全なBluetooth Low Energyソフトウェアスタックが含まれています。 PAN1720モジュールは、シールドケースを備えた、非常に小型の15.6mm x 8.7mm x 1.9mm SMDパッケージで製造されています。

CSRは、CSR1000A04-IQQM-Rを含む多くのBluetooth Low Energyチップを生産しています。 CSRのµEnergy™プラットフォームは、RF、ベースバンド、マイクロコントローラ、認定されたBluetooth v4.0スタック、そして顧客のアプリケーションを単一のチップで実行させるBluetooth Low Energy製品の構築に必要なすべての機能を提供します。 CSRのµEnergyプラットフォームは、2つのチップタイプで入手できます。 CSR1001チップは、キーパッドスキャニング用の専用ハードウェアを備え、キーボードやリモートコントロール向けに最適化されています。 CSR1000は、フィットネス製品、携帯時計、マウスおよびその他センサ向けにより小型のパッケージを提供します。

他に利用可能なオプションは？

短距離無線市場は、多岐に渡る要件を満たす「ワンサイズですべてに適合する」ソリューションがないため、混雑しかつ細分化しています。 これらのプロトコルのほとんどは、PHYおよびMAC層のみを定義するIEEE 802.15.4規格を基に構築されています。そして、各プロトコルは、ネットワーク層を定義しますが、その定義はニーズに応じて異なります。 ZigBeeはおそらく最も幅広く使用されている802.15.4のタイプですが、6LoWPANおよびWirelessHART™はまた、ANT™、Z-Wave®、MiWi™、およびSimpliciTI™などの独自のプロトコルと同様に、一般的に使用されています。 このような中で、Bluetooth Low Energyはどこで、いかにしてうまく適合できるでしょうか。

上記で述べた他の標準化された各プロトコルは、最も理にかなっている市場の隙間を見つけました。6LoWPANはインターネットコネクティビティを提供し、WirelessHARTはセルフヒーリングメッシュネットワークに使用されています。これらは、Bluetooth Low Energyが対象とする市場ではありません。 一方で、ZigBeeのRF4CE™プロトコルは、Bluetooth Low Energyと同じアプリケーションの多くを対象としていますが、より複雑なプロトコルであるため、ネットワーキングに優れています（Bluetooth Low Energyは、スター構成でのみ動作することができます）。しかし、ZigBeeのRF4CE™プロトコルはかなり高電力であるため、医療用センサなどの超低電力アプリケーションや、可能な限り長い電池寿命を必要とする産業用および軍用アプリケーションには適していません。

民生用領域では、ジョギングする人向けの心拍計や他の複数のボディエリアネットワーク（BAN）アプリケーションでANTが幅広く使用されています。 ANTはまた、Bluetooth Low Energyと同様に、低データレートアプリケーションを対象とする超低電力プロトコルです。 ANTは重要な競合相手ですが、Bluetooth Low Energyには、1つの非常に大きな利点があります。それは、20億個を超えるインストール済みデバイスと互換性があり、消費者コミュニティで大いに受け入れられている点です。 Texas InstrumentsやNordic Semiconductorなどの主要なANTチップベンダーがBluetooth Low Energyを非常に力強く後押ししている事実は、Bluetooth Low EnergyがじきにANTや独自のソリューションに取って代わり、超低電力無線デバイスで使用される優勢なプロトコルとなるのかという疑念を払拭するはずです。

リファレンス：

1. Bluetooth技術のウェブサイト
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. Bluetooth Low Energy – Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. Bluetooth Low Energy – DigiKey