【レポート】

スマートな無線通信を実現するBluetooth v4.0

Svein-Egil Nielsen  [2012/07/04]

Bluetooth Special Interest Group(SIG)はいろいろと批判を受けていますが、消費者の心にはBluetoothブランド成功の印象が深く刻まれており、それを覆すほど不満が大きくなることはないと思います。2008年に行われた独自調査では、消費者の85%が「この無線技術を知っている」と回答しました。現在では、この数値はさらに大きくなっているはずです。

しかし、Bluetooth v4.0を発表するにあたり、SIGは、その技術が具体的に何をするのか、改めて説明しなければなりませんでした。新しいバージョンは、以前のバージョンと大きく異なるからです。Bluetooth v4.0のアーキテクチャには、2種類の全く異なる無線のタイプとプロトコルが含まれています。一方は以前のバージョンと通信できますが、もう一方はできません。

これは、Bluetooth搭載製品を市場に出すために複雑なコンプライアンス問題を扱うエンジニアはもちろん、Bluetooth技術には相互運用性があると思ってきた一般購買者にとっても込み入った話です。

そこでSIGは、消費者が必要な製品を店頭で購入しやすいように、新しいブランドを立ち上げることにしました。「luetooth Smart」と「Bluetooth Smart Ready」です。このブランドの策定はなんとか間に合い、現在、このブランドの背景技術であるBluetooth v4.0の製品が大量に出荷されています。たとえば、AppleのiPhone 4Sや新しいiPad(図1参照)はBluetooth Smart Readyの要件を満たしています。MicrosoftはWindows 8でBluetooth Smart Readyに対応することを明らかにしており、MotorolaもBluetooth Smart Ready対応の携帯電話を発表しています。

図1:Appleの新しいiPadはBluetooth Smart Readyデバイスの要件を満たしています

しかし、Bluetooth SmartとBluetooth Smart Readyのブランドは、実際のところ何を表しているのでしょうか? Bluetooth v4.0はこれまでのバージョンの技術とどう違うのでしょうか? この先を読んでいただければわかりますが、その前に、これまでの流れについて少し触れたいと思います。

Bluetoothと独自の超低消費電力型無線技術

かつて、2種類の「低消費電力」無線技術がありました。

1つはEricssonが開発し、世界標準として提供されたBluetoothという2.4GHzの近距離無線技術です。比較的容量の大きなバッテリー(単三乾電池またはより大容量のもの)を使い、約1Mbps(後に大幅に増加されました)の帯域幅を提供するもので、携帯電話からワイヤレスヘッドセットへのデータ転送などに利用可能です。

そしてもう1つ、さらに消費電力の小さい無線技術がありました。Nordic Semiconductorなどが開発した技術で、「超低消費電力(ultra low power)」と呼ばれていました。やはり2.4GHzの帯域で動作し、1Mbpsの帯域幅を提供します。こちらの技術は、0.1%以下という低いデューティサイクルで機能することが特徴です。平均消費電力はマイクロアンペアの範囲であり、ボタン電池1つで数カ月から数年間動作します。スポーツウォッチと通信する心拍計、無線マウス、無線キーボードなどに利用されました。

この2つの技術は、一部重なる用途もありましたが、それぞれ別の用途に適しており、使用するプロトコルも異なっていたため、互いに連携するという動きはありませんでした(Bluetoothはオープンスタンダードプロトコルを使用して互換性を確保していましたが、超低消費電力無線技術は電力消費を抑えるために、非常に効率的な独自のプロトコルを使用していました)。

しかし、携帯電話メーカーNokiaのエンジニアチームが「世界中に何百万とある超低消費電力無線装置と通信できれば、巨大な新市場を切り開けるのではないか」と考えました。たとえば、マラソン愛好家がアクティビティを追跡したい場合、高価な心拍計と専用のスポーツウォッチを購入しなくても、安価な心拍計を購入して、すでに持っている携帯電話にリンクすればよいではないか、というわけです。

このアイデアから、Nokia、Nordic Semiconductor、そして同じ考えを持つその他数社が連携することになりました。しかし、Nokiaは当然のことながら、すでに3、4個のRFチップを搭載する携帯電話にさらに無線チップを追加することを望みませんでした。そこで、多くの携帯電話にすでに搭載されているBluetoothチップが利用されることになったのです。

プロジェクト開始から2年経過してチップアーキテクチャがかなり策定されると、優れたロジックが優勢となり、連合はBluetooth SIGと合流し、この技術は「超低消費電力Bluetooth」と呼ばれるようになります。

そしてイニシアティブ開始から6年。Nordicおよび他のSIGメンバーのエンジニアの大変な努力によって、「Bluetooth low energy」を最大の特徴とするBluetooth v4.0の仕様がついに完成しました。

2つのチップについて

以前のバージョンのBluetooth技術(v2.1やv3.0など)とv4.0の基本的な違いは、最新バージョンでは2つのプロトコルを使用することです。

Bluetooth low energyプロトコルは、Bluetooth仕様に新しく追加された技術です。これは、これまで独自の技術を使用していた超低消費電力の用途向けに開発された技術です(独自の技術が消えてなくなるわけではありません。この分野には、Bluetooth low energyが提供する互換性を必要としない用途がたくさんあります。独自技術を使うことによって、低コストおよびパフォーマンス最適化というメリットが得られる場合があります)。仕様では、Bluetooth low energyプロトコルを実行するためだけに設計される無線装置が規定されています。このような無線装置を「シングルモード」デバイスと呼びます。

Bluetooth v4.0には、「従来の」Bluetoothプロトコル(BR/EDRなど)をサポートする半導体無線装置も採用されています。コストを最小限に抑え、デバイスの物理的なサイズはほとんど追加せずに、いくつかの電気回路を追加してBluetooth low energy(シングルモード)チップと通信できるようにしています。このチップは、従来のBluetoothプロトコルとBluetooth low energyプロトコルの両方を処理できるので「デュアルモード」デバイスと呼ばれます。

デュアルモードチップは、従来型のBluetoothチップが使われていたあらゆるところに使用されます。携帯電話、タブレット端末、PC、小型カーナビシステム(PND)、ゲーム用端末、「スマート」テレビなど、何十もの用途を想定しています。

Bluetoothブランドについて

Bluetooth Smartブランド認定製品は、次の3つの条件を満たさなければなりません。

  1. Generic Attribute(GATT)ベースのアーキテクチャを使用しBluetoothコア仕様バージョン4.0以上を満たしていること
  2. シングルモード無線を採用していること
  3. GATTベースのアーキテクチャを使用してデバイスの特定機能を実現していること

Bluetooth Smart Ready認定製品も、3つの同様の条件を満たす必要があります。GATTベースのアーキテクチャを使用してBluetoothコア仕様バージョン4.0以上を満たしていること、デュアルモード無線(BR/EDR+Bluetooth low energy)を採用し両方の無線モードを(個別に、または同時に)有効化できること、そしてBluetooth Smart Readyデバイス上でBluetooth Smartデバイスの機能アップデートをエンドユーザが選択できることです。

Bluetooth Smart Ready製品のメーカーは、Bluetooth Smartデバイスからデータを受信するアプリケーションをサードパーティが作成したり配布したりできるようにする必要もあります。

消費者に関しては、Bluetooth Smart Ready製品を使えば、エンドユーザがBluetooth Smart製品の機能をアップデートできます。新しくデバイスを購入したら、新しいプロファイル(特定用途向けに最適化されたソフトウェア)をダウンロードしてインストールすればデバイスをサポートできます。サポートがあらかじめインストールされた状態で提供されるハブデバイスに依存する必要はありません。

Bluetooth SIGの新しいブランドは、公衆の期待に応えるためのものです。長年にわたって旧来のデバイスとBluetooth技術の相互運用性および互換性を進めてきましたが、もはや、状況が変わったということを受け入れなければなりません。

新しいブランドによって、消費者は自分のアクティビティに合った製品を選びやすくなります。たとえば、Bluetooth Smartの心拍計を購入した場合、任意のBluetoothチップ搭載携帯電話と通信できるわけではありません。携帯電話がBluetooth Smart Ready対応でなければなりません。Bluetooth Smart ReadyデバイスにはBluetooth v4.0チップ(およびBluetooth Smart Readyに必要なその他のインフラストラクチャとサポート)が搭載されていますが、Bluetooth low energy互換でない(v2.1やv3.0の)デバイスには搭載されていません。表1は相互運用性についてまとめたものです。

表1:Bluetooth SmartとBluetooth Smart Readyの互換性

v4.0の新機能

Bluetooth SIGが新しいバージョンの発表に時間をかけるのは、根本的に新しいものを提供する場合だけです。では、設計エンジニアは、そして最終的に消費者は、Bluetooth v4.0によって具体的に何を得られるのでしょうか? この質問に答えるには、この技術についてもう少し詳しく見ていく必要があります。

従来のBluetooth技術は「コネクション型」の無線通信で、アクティビティ性の高い通信に理想的な固定接続間隔の技術でした。デュアルモードのチップが引き続きその役割を担います。

デュアルモードのチップがBR/EDRモードで機能する場合の消費電力は、以前のバージョンの技術と変わらないことに注意してください。デバイスがlow energy機能を使用している場合は消費電力がいくらか少なくなりますが、このチップは超低消費電力デバイスではありません。チップの機能、サイズ、コスト、およびコンプライアンス体制は、以前のバージョンによく似ています。

つまり、エンジニアは、デューティサイクルが高く、相互運用性のある近距離2.4GHz無線技術が必要な製品を開発する場合、好きなメーカーのBluetooth v4.0デュアルモードチップを選択することになります。これまでv2.1チップやv3.0チップを選択していたのとほとんど同じです。

それでも、エンジニアは1つの重要なメリットを享受できます。これについては後述します。

これに対しBluetooth low energy技術では、用途に応じて数ミリ秒~数秒に設定可能な可変接続間隔を採用しています。さらに、非常にすばやい接続を特長としているので、Bluetooth low energy技術は通常、「接続していない」(省電力の)状態にいることができます。この状態でリンクの両端は互いを認識していますが、リンクを確立するのは、本当に必要な時にだけ、できるだけ短期間だけです。

Bluetooth low energyチップは、3V、220mAh CR2032などのボタン電池で長期間(数カ月から数年)駆動します。その代わり、これらのデバイスは非常に低いデューティサイクルでしか機能しません。

デバイスから数バイト程度の小さなデータを低頻度(たとえば1秒に2、3回、1分に1回、またはそれ以下の頻度)で送信する必要があり、完全な非同期通信を行う相互運用可能な2.4GHzの無線技術を探しているのなら、Bluetooth low energyが最適です。このようなデバイスの一般的な例として、心拍モニタ、自転車の速度および距離計、血糖モニタなどの小型無線センサが挙げられます。

Bluetooth low energyは興味深い仕掛けを使って電力消費を抑えています。この技術では、無線通信時間を最短にするため、他のデバイスを探したり、接続しようとしている他のデバイスに自分の存在を知らせたりするための「アドバタイズメント」チャネルを3つしか使用していません。これに対して、従来のBluetooth技術では32チャネルを使用していました。

チャネルが3つだけのため、Bluetooth low energy技術で他のデバイスをスキャンするためにスイッチを「オン」にしなければならないのは0.6~1.2ミリ秒です。従来のBluetooth技術では32チャネルをスキャンするのに22.5ミリ秒かかります。Bluetooth low energy技術が他の無線装置を見つけるのに必要な電力は10分の1から20分の1ですむことになります。

Bluetooth low energy技術では、いったん接続が確立されると、37あるデータチャネルの1つに切り替わり、従来のBluetooth技術で採用されたAdaptive Frequency Hopping(AFH)技術を使用して、疑似ランダムパターンで切り替わります(従来のBluetooth技術では79チャネルを使用します)。

Bluetooth low energy技術は1Mbpsのローデータ帯域を使用するので、情報をすばやく送信でき、無線装置はすぐに超低消費電力のスリープ状態に戻ることができます。1回の接続、すなわち相手デバイスの検索、リンクの確立、データの送信、認証、「グレースフル(優雅な)」終了までにかかる時間は3ミリ秒です。従来のBluetooth technologyでは、同様の接続サイクルに数百ミリ秒かかります。通信時間が長いほど、バッテリーのエネルギーはより多く消費されます。

また、Bluetooth low energy技術では、従来よりも「緩やか」なRFパラメータの採用と、非常に短いパケットの送信という2つの方法でピーク電力を抑制します。パケットが短いと、無線通信時間がより短くなり、半導体の温度を低く抑えることができ、電力を消費する再調整や閉ループ構造は必要ありません。

Bluetoothエコシステムの拡大

Bluetooth low energy技術は、電力上の制約が厳しく従来のBluetooth技術を利用できない用途向けに開発されました。相互運用性が保証されたULP(超低消費電力)無線技術が電子機器設計者に初めて提供されたため、数百もの新しい用途がどんどん登場するでしょう。

具体的にどのような用途があるのでしょうか? 近日リリースされる予定のBluetooth SIGの一連のプロファイルがヒントになります。これらのプロファイルは、腕時計などのPUID(パーソナルユーザインタフェースデバイス)、リモコン、近接アラーム、バッテリー状態モニタ、心拍モニタなど、特定用途向けに汎用Bluetooth low energyチップを最適化します。血糖や血圧、自転車のペダル回転数やペダリングの強さなど、健康やフィットネス向けのモニタリングプロファイルも発表される予定です。

多くの半導体メーカーがBluetooth low energyソリューションを発表していますが、Nordic Semiconductorもその1社です。Nordicの製品をざっと見ただけで、初期にどのような用例があったか、また、製品にBluetooth v4.0を取り入れた設計者が当初考えていたよりも、いかに多くの製品にその通信機能が利用されるようになっているかわかります。

NordicのBluetooth low energyファミリ「μBlue」には、現時点で、nRF8001と最近発表されたnRF8002の2チップがあります。どちらもBluetooth v4.0 low energyに完全準拠したプロトコルスタックを備えています。

2011年1月に、NordicのBluetooth low energyチップファミリ「μBlue」の最初のデバイス、nRF8001(およびμBlueプロトタイプキットとソフトウェア開発キット)がリリースされました。nRF8001のピーク電流は12.5mA以下、接続時の平均電流は12μA(1秒の接続間隔)と低く、nRF8001は最も消費電力の小さいBluetooth low energyソリューションの1つです。

このチップでは、無線、リンクレイヤ、ホストスタックが1つのEnd Product Listing(EPL)に集積されているため、追加の手数料なしで新しいBluetoothエンドプロダクトを簡単に作成できます。

Bluetooth Smart技術の習得に時間をかけずにすばやく製品を開発したい場合は、nRF8002 SoCが便利です。このチップはデザインインが簡単なシングルソリューションで、無線タグやさまざまなアクセサリ(ブレスレット、ペンダント、キーチェーン、小さなおもちゃ、アームバンドなど、図2参照)に利用できます。

図2:nRF8002はデザインインが簡単なシングルソリューションで、ワイヤレスタグやさまざまなアクセサリに利用されます

nRF8002を製品に組み込むのに、Bluetooth low energy技術や組み込みファームウェア開発についての専門的な知識は必要ありません。Nordic nRF8002開発キットを使えば、簡単なグラフィカルユーザインタフェースによって、内蔵のアプリケーション層を設定し、ボタン、LED、ブザーなどの外部コンポーネントに入出力をマッピングするだけで、Bluetooth Smartタグやアクセサリを開発できます。nRF8002は、Find Me、Proximity、Alert Notification、Battery StatusなどのBluetooth v4.0プロファイルをサポートしています。

相互運用性の保証

すでにnRF8001を製品に取り入れている主要企業がいくつかあります。たとえば、日本の電機メーカー、カシオが開発したG-SHOCK Bluetooth Low Energy Watchは、互換性のあるスマートフォンと通信できます(図3参照)。

図3:G-SHOCK Bluetooth Low Energy Watchは任意のBluetooth Smart Ready対応スマートフォンと通信できます

腕時計からスマートフォンのアラーム音を停止する機能や、スマートフォンが見当たらないときに腕時計のボタン操作でスマートフォンのアラームやバイブレーションを作動してスマートフォンを発見できる「Finder Function」機能があります。

無線モニタのOEM/ODMメーカーDayton Industrialは、同社が世界初としている量産用Bluetooth low energy心拍計にnRF8001を採用し、量産を開始しています。Bluetooth v4.0チップ搭載の携帯電話を持っていれば、ほんの数秒で心拍計を設定して使うことができます。さらに、健康やフィットネス用に開発されたさまざまなアプリケーションを利用して、新しい方法でトレーニングデータの収集、分析、表示ができます。

アプリケーションを使ってどのようなことができるか、探究心のあるエンジニアに紹介するため、NordicはiOS 版のデモ用アプリケーションを提供しています。このアプリケーションは、無線心拍計ストラップ、フットポッド、自転車の速度/距離、ペダル回転数、ペダリングの強さを測定するセンサー、温度計、近接タグ、体重計、血圧モニタなど、幅広いBluetooth Smart(およびANT+)アクセサリと連携します(図4参照)。

図4:NordicのiOS版デモ用アプリケーションは、幅広いBluetooth Smart(およびANT+)アクセサリと連携します

nRF8001の最新の活用例を見ると、すでに巨大なBluetoothエコシステムがBluetooth low energyによって劇的に拡大することがよくわかると思います。

香港を拠点とするIDTは、家庭用のBluetooth low energy血圧計をリリースしました(図5参照)。この血圧計は、Bluetooth low energyと最近採用されたBlood Pressure(血圧計)プロファイルを利用した世界初のデバイスです。Bluetooth Smart Ready対応携帯電話と通信でき、携帯電話から医療施設の遠隔サーバにデータを送信できます。超低消費電力の無線技術によって、患者は自宅で療養でき、医師の診察を受ける時間も短縮できます。また、医療スタッフは十分に情報を得て投薬のタイミングを決定できます。これは保健機関にとって大きな節約になります。

図5: IDTの血圧計は、Bluetooth low energyと最近採択されたBlood Pressure(血圧計)プロファイルを利用した世界初のデバイスです

このような用途の多くは相互運用性が保証されていることを前提としています。さまざまなメーカーのデバイスがきちんと接続できることを確認するため、SIGは定期的に相互接続性テスト「UnPlugFest」を開催しています。BluetoothチップメーカーであるNordicとBroadcomも、Bluetooth v4.0で保証されている相互運用性が実際に機能することを共同で確認しています。

Nordicは2011年8月、Bluetooth low energy近接型タグのプロトタイプ設計とBroadcomの業界初のBluetooh v4.0標準認定結合チップソリューション「BCM4330」の無線通信テストが成功したと発表しました。

Nordicはこのチップや他社チップとの間の相互運用性テストが絶対に成功すると信じていましたが、問題なく無線リンクが確立されてシームレスに動作したのはやはり喜ばしいことであり、Bluetooth仕様の能力が証明されたと言えます。

長い時間がかかりましたが、Bluetooth v4.0とBluetooth low energyのチップ、プロトコル、プロファイル、サポートが出そろいました。6年に及ぶ努力の集大成です。先駆的な多くの企業がすでにこのチップを製品に取り入れており、Bluetooth SmartとBluetooth Smart Ready認定製品の大きな波がやってくると考えて間違いないでしょう。たとえば、IMSのアナリストは2013年以降、毎年10億ものBluetooth low energyデバイスが販売されると予測しています。あらゆる無線技術の中で圧倒的な速さで採用が進むでしょう。

著者紹介

Svein-Egil Nielsen
Director of Emerging Technologies & Strategic Partnerships
Nordic Semiconductor
Bluetooth SIG board member

関連キーワード


人気記事

一覧

イチオシ記事

新着記事

武井壮、芸能界&スポーツ界の薬物検査を提言「業界が縮小しかねない」
[19:36 6/25] エンタメ
[新木優子]森絵梨佳&太田莉菜&久松郁実と赤裸々女子トーク
[19:21 6/25] エンタメ
[木村佳乃]流行の全身白コーデ 黒木瞳&吉田羊もワンピ姿に
[19:11 6/25] エンタメ
【インタビュー】「おおおおおおーーーーーーッ!!」の叫びに込められたバイクの魅力 - 上田麗奈・山口立花子が『ばくおん!!』への想いを語る
[19:00 6/25] ホビー
[昼のセント酒]癒しの銭湯&酒肴ドラマがきょう最終回 戸次重幸の“美裸体”も見納め!
[18:52 6/25] エンタメ