東芝情報システム株式会社

Bluetooth とは何か?第2回 [全3回]

Bluetooth Classic と Bluetooth Low Energy(BLE)の違い

第一回目では、Bluetoothの特徴と歴史についてご紹介しました。
第二回目は、Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの主な違いと、また、開発するときにどちらを選べばよいかご紹介します。

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの違い

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの違い「同時接続デバイス数」

Bluetooth Classicのデバイスは、マスター(Master)とスレーブ(Slave)の2種類の役割があります。マスターとはコンピュータネットワークのクライアント/サーバにおけるサーバに相当するものです。一方、スレーブとはクライアントに相当するものです。マスターが同時に接続できるスレーブの数は最大7つまでとなっています。

Bluetooth Classic 同時接続デバイス数
Bluetooth Classic 同時接続デバイス数

一方、Bluetooth Low Energyのデバイスは、セントラル(Central)とペリフェラル(Peripheral)の2種類の役割があります。セントラルは、ネットワーク上の親局です。ペリフェラルに機能を提供してもらうサーバになります。スマートフォンやタブレットなどがセントラルになります。ペリフェラルは、ネットワーク上の子局の役目になります。体重計や体温計、スマートウォッチなどのセンサーの値やバッテリーの残量など、何かしらの情報や機能を提供するデバイスがペリフェラルになります。セントラルが同時に接続できるペリフェラルの数は、仕様上は無限ですがBluetoothチップとBluetoothスタックの実装仕様に依存します。

Bluetooth Low Energy 同時接続デバイス数
Bluetooth Low Energy 同時接続デバイス数

さらに、Bluetooth5では、メッシュネットワーク(多 対 多)を構築できるようになりました。たとえば、ビルの照明にBluetoothのメッシュネットワークを構築し、スマートフォンから照明の制御をしたり、また、照明のメッシュネットワークを利用し、遠くにある空調の温度調整パネルを制御したりすることが出来るようになります。

Bluetoothメッシュネットワーク利用例
Bluetoothメッシュネットワーク利用例

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの違い「転送速度」

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの転送速度は下表のとおりです。

表1:Bluetooth Classic 転送速度

バージョン

非対称型通信時

対称型通信時

データレート

1.0 BR, 1.0B BR,
1.1 BR, 1.2 BR

下り 723.2kbps
上り 57.6kbps

433.9kbps

1Mbps

2.0 EDR, 2.1 EDR,
3.0 EDR, 4.0 EDR,
4.1 EDR, 4.2 EDR,
5 EDR

下り 2178.1kbps
上り 177.1kbps

1306.9kbps

3Mbps

3.0 HS

24Mbps

*BR : Bluetooth Basic Rate
*EDR : Enhanced Data Rate
*HS : High Speed(無線LAN規格IEEE 802.11のMAC/PHY層を利用)

表2:Bluetooth Low Energy 転送速度

バージョン

データレート

4.0

1Mbps

4.1

1Mbps

4.2

1Mbps

5

2Mbps, 1Mbps, 500kbps, 125kbps

Bluetooth Classicの3.0 HSは、無線LAN規格IEEE 802.11のMAC/PHY層を利用する仕様になっています。Bluetooth 3.0 HS対応のBluetoothチップ(BluetoothとWi-Fiのコンボチップ)は存在しますが、現実には、ほとんどの製品でBluetoothとWi-Fiは各々のアプリケーションで使用されているため、Bluetooth 3.0 HSを利用している製品は、ほとんどありません。

Bluetooth 5のBluetooth Low Energyのデータレートが最大2Mbpsになったことで、従来のBluetooth ClassicのプロファイルがBluetooth Low Energyのプロファイルとして仕様策定、リリースされる可能性があります。

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの違い「消費電力」

Bluetooth Low Energyのペリフェラルデバイスは、電力消費を低減するために大半の時間をスリープモードで維持します。センサー変化などのイベントが発生したときにスリープモードが解除し(起き上がり)、スマートフォンやタブレットなどのセントラルデバイスにデータを転送します。

最大/ピーク電力消費は15mA未満、平均電力消費は約1μAとなっています。アクティブ時の電力消費はBluetooth Classicと比較して約1/10となっています。データ通信サイクルの低いアプリケーションでは、1個のボタン電池で、5~10年にわたって動作可能とされています。

表3:Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyの仕様比較

仕様

Bluetooth Classic BR/EDR

Bluetooth Low Energy 4.2

周波数帯

2.4GHz

2.4GHz

変調方式

周波数ホッピングスペクトラム拡散
(GFSK / DQPSK / 8PSK)

GFSK

チャネル数

79

40

チャネルポッピング

タイムスロット(625μs)

イベント(数ms)

トポロジー

スター型

スター型

同時接続デバイス数

最大7台

無限*1

ペアリング認証

必須

オプション

音声対応

不可

最大パケットサイズ

1024Byte

251Byte(4.1以前は47Byte)

最大通信距離(到達距離)

100m以下*2

100m超*3

データレート

1Mbps / 3Mbps

1Mbps*4

実行最大通信速度
(アプリケーションスループット)

0.7Mbps / 2.1Mbps

0.65Mbps(4.1以前は0.27Mbps)

セキュリティ

56/128ビット

128ビットAES、CCMモード(Counter Mode CBC-MAC)利用

消費電力

1W

0.01から0.5W

ピーク電流

30mA未満

15mA未満

*1 BluetoothチップとBluetoothスタックの実装仕様に依存します。

*2 Classによって最大通信距離が変わります。
- Class1:最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
- Class2:最大出力の上限が 2.5mW で最大通信距離が 10m
- Class3:最大出力の上限が 1mW で最大通信距離が 1m

*3 Bluetooth Low Energy 5ではデータレートによって最大通信距離が変わります。
- 2Mbps :最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
- 1Mbps :最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 100m
- 125kbps:最大出力の上限が 100mW で最大通信距離が 400m

*4 Bluetooth Low Energy 5のデータレートは、2Mbps、1Mbps、500kbps、125kbps。

Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energy、どう選ぶか?

このように、Bluetooth ClassicとBluetooth Low Energyには、同時接続デバイス数と通信速度、消費電力の3つの大きな違いがあります。では、Bluetooth搭載の機器を開発する場合、どちらを選択すればよいのでしょうか?

今回、ご紹介した3つの違いがあるため、扱えるProfileに違いがあります。Profileとは、Bluetoothの機能を定義したものです。実現したい機能がどちらのProfileで対応しているかも確認が必要になります。

Bluetooth Classicを活用した方が良い場合

Bluetooth Classicの場合、複数機能をもつProfileが多くあります。カーナビや、スマートフォンで利用する電話機能やオーディオ機能が利用できます。例えば、HFP(Hands-Free Profile)は、スマートフォンとヘッドセット間などで用いられる、電話の発着信や通話を行なうためのProfileです。

Bluetooth Low Energyを活用した方が良い場合

Bluetooth Low Energyでは、単一機能のProfileが多いですが、動作させるのに製品のメモリをあまり必要とせず、Bluetooth チップ自体も安いものが多くあります。ウェアラブル端末、体温計、体重計などで利用するバイタルデータの送信を実現したい場合は、こちらが向いています。

Profileは、徐々に増えているため、開発する際には、どのようなProfileがどちらに対応しているか、確認が必要でしょう。最新のProfile状況については、Bluetooth SIGで確認することができます。

Bluetooth SIG


今回は、Bluetooth Classic と Bluetooth Low Energy(BLE)の違いについてご紹介しました。次回は、Bluetooth のセキュリティについてご紹介します。

次回の公開は、2019年1月ごろを予定しています。

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