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Bluetooth とは

Bluetooth® 無線技術は、ポータブル型および固定型の電子機器を接続するケーブルに代わることを目的とした無線インターフェイスです。Bluetooth のデバイス メーカーは、製品を最適化および差別化するためにオプションのコア仕様の機能を柔軟に含めることができます。

Bluetooth とは、業界団体の Bluetooth Special Interest Group (SIG) によって管理されている Bluetooth コア仕様グループ規格によって指定されている実装のことを指します。Communications Toolbox™ Library for the Bluetooth Protocol 機能により、Core System Package [Low Energy Controller volume], Specification Volume 6 の記載に従い、Bluetooth Low Energy (BLE) 通信システム リンクをモデル化できます。また、将来の規格の変化に備えて実装のバリエーションを調査することもできます。

ネットワーク アーキテクチャ

Bluetooth でサポートされているネットワーク トポロジには、ポイントツーポイント接続、ブロードキャスト接続、およびメッシュ接続があります。ポイントツーポイント接続は、クラシック Bluetooth または BLE で動作するデバイスで利用できます。ブロードキャストおよびメッシュの接続トポロジは、BLE デバイスでのみサポートされています。

ポイントツーポイント接続トポロジとポイントツーマルチポイント接続トポロジ

ポイントツーポイント通信を使用するデバイスはピコネット内で動作します。ポイントツーポイント ピコネットは、1 対 1 のデバイス通信リンクを定義します。ポイントツーポイント リンクの例には、PC または携帯電話と、ヘッドセット、プリンター、フィットネス トラッカーなどの周辺機器との間のリンクがあります。複数のピコネットは "スキャッタネット" トポロジで互いに接続されます。ポイントツーマルチポイント ピコネットは、1 対多のデバイス通信リンクを定義します。

この図は 3 つのピコネットのスキャタネットを示しています。各ピコネットに "マスター" (M) の役割をもつデバイスが 1 つあり、他のデバイスは "スレーブ" (S) または "アイドル" (I) の役割であることが示されています。また、この図では、1 つのデバイス (M/S) に対してあるピコネットではマスターの役割が割り当てられ、別のピコネットではスレーブの役割が割り当てられています。

  • スキャッタネットは、2 つ以上のピコネットで構成されるその場限りの一時的なネットワークです。

  • "ピコネット" は、2 つ以上の Bluetooth デバイス間の接続として定義されています。ピコネット ネットは最大 8 つのデバイスに制限され、常に 1 つのマスターがマスターの役割を担い、7 つがスレーブになります。

  • 個々の Bluetooth デバイスは、指定されたピコネット内でマスター、スレーブ、またはアイドル ピア デバイスの役割を担います。個々の Bluetooth デバイスは、あるピコネットでスレーブの役割を担いながら、別のピコネットでマスターの役割を担うことができます。

    • マスター デバイスは同期基準を提供します。

    • スレーブは、マスターのクロックと周波数ホッピング パターンに同期する他のデバイスです。

    • 他のアイドル デバイスはピコネットに配置されていますが、アクティブではありません。

ブロードキャスト接続トポロジ

ブロードキャスト ピコネットは、BLE デバイス用の 1 対多の通信リンクを確立します。ブロードキャスト リンクの例には、地図上の小売店情報、屋内ナビゲーション、および資産追跡があります。

メッシュ接続トポロジ

メッシュ ネットワークは、BLE デバイス用の多対多の通信リンクのオプションを確立します。メッシュ トポロジは、大規模なデバイス ネットワークの構築を可能にします。メッシュは、数千のデバイス間での信頼性の高い安全な通信が必要となる制御、監視、および自動化システムに最適です。

Bluetooth SIG は、Bluetooth Low Energy (LE) 無線技術用の相互運用可能な多対多 (m:m) メッシュ ネットワーク ソリューションを実現するためのメッシュ ネットワーキング要件を指定しています。メッシュ ネットワークは、ビルディング オートメーション、センサー ネットワーク、資産追跡、および複数のデバイス間での信頼性の高い安全な通信が必要となるその他のソリューションをサポートする大規模デバイス ネットワークに最適です。Bluetooth SIG は以下の仕様を採用しています。

  • メッシュ プロファイル仕様 – Bluetooth LE 無線技術用の相互運用可能なメッシュ ネットワーキング ソリューションを実現するための基本的な要件を定義しています。

  • メッシュ モデル仕様 – メッシュ ネットワーク上のノードの基本機能を定義するために使用されるモデルを紹介しています。

  • メッシュ デバイス プロパティ – メッシュ モデル仕様に必要なデバイス プロパティを定義しています。

Bluetooth のメッシュ モデル仕様は、BLE メッシュ モデルのカテゴリを定義しています。以下のモデル カテゴリがあります。

  • 基盤モデル

  • 汎用モデル

  • センサー

  • タイミングとシーン

  • ライティング

すべてのデバイスは、構成サーバーとヘルス サーバー用の基盤モデルを実装しなければなりません。モデル カテゴリ内の他のすべてのモデルはオプションであり、BLE デバイスが実行するサービスに基づいて実装されます。

メッシュ プロファイル Bluetooth 仕様で説明されているように、メッシュ ネットワークは管理されたフラッド型のネットワークとして動作します。デバイスはブロードキャスト チャネルを使用してメッセージを他のデバイスに送信し、メッセージは他のデバイスに転送されて、元のメッセージの範囲が拡大されます。

メッシュ ネットワークのメンバーではないデバイスは、"プロビジョニングされていないデバイス" と呼ばれます。メッシュ ネットワークのメンバーであるデバイスは、"ノード" と呼ばれます。デバイスは "プロビジョナー" によりメッシュ ネットワークに追加されます。メッシュ ネットワーク内のノードはネットワーク キーを共有し、ネットワークまたはサブネット内の他のノードからのメッセージを受信したり中継したりすることができます。ネットワーク キーは、ネットワーク層でのメッセージの保護や認証のために使用されます。プロビジョニングされていないデバイスはメッセージを復元するためのネットワーク キーをもたないため、メッセージを受信できません。

Bluetooth 製品

Bluetooth SIG は、Bluetooth 製品を Bluetooth 無線技術の実装を含むすべての製品と定義しています。Bluetooth 製品は以下のように分類されます。

  • Bluetooth 最終製品

  • Bluetooth ホスト サブシステム製品

  • Bluetooth コントローラー サブシステム製品

  • Bluetooth プロファイル サブシステム製品

  • Bluetooth コンポーネント製品

  • Bluetooth 開発ツール

  • Bluetooth テスト装置

Communications Toolbox Library for the Bluetooth Protocol は、Bluetooth ホストおよびコントローラー サブシステム製品に完全に準拠する Bluetooth リンクを Low Energy (LE) コア構成でモデル化できる機能を提供します。

Bluetooth Low Energy コア構成

Bluetooth Core Specification, Volume 0, Part B, Section 4.4 では、完全準拠の Bluetooth リンクを Low Energy (LE) コア構成でモデル化するために実装しなければならない一連の必須機能が指定されています。

LE コア構成では、アプリケーション、ホスト、およびコントローラーという 3 つの主な層を定義します。Communications Toolbox Library for the Bluetooth Protocol は、ホストとコントローラーの層をモデル化する機能を提供します。Bluetooth コア仕様でホストとコントローラーに定義されている要件は以下のとおりです。

サブ層Bluetooth 仕様の Volume必須機能

ホスト

論理リンク制御およびアダプテーション プロトコル (L2CAP)

Volume 3, part A

GAP のペリフェラルまたはセントラルの役割がサポートされる場合は、L2CAP LE 信号チャネル (CID 0x0005) およびそれに関連付けられているすべての必須機能。

汎用アクセス プロファイル (GAP)

Volume 3, part C

9 節~ 12 節および 15 節の少なくとも 1 つの LE GAP の役割 (ブロードキャスター、オブザーバー、ペリフェラル、またはセントラル) のすべての必須機能。

属性プロファイル (ATT)

Volume 3, part F

GAP のペリフェラルまたはセントラルの役割がサポートされる場合は、すべての必須機能。

汎用属性プロファイル (GATT)

Volume 3, part G

ATT がサポートされる場合は、GATT が必須。サポートされる場合は、すべての必須機能。

セキュリティ マネージャー (SM)

Volume 3, part H

GAP のペリフェラルまたはセントラルの役割がサポートされる場合は、すべての必須機能。

コントローラー

物理 (PHY)

Volume 6, part A

すべての必須機能。

リンク層 (LL)

Volume 6, part B

すべての必須機能。

Bluetooth プロトコル スタック機能と OSI 参照モデルの間のマッピングの説明は、Bluetooth プロトコル スタックを参照してください。

参照

[2] "Bluetooth Core Specification." Bluetooth Special Interest Group (SIG).

[3] "Supplement to the Bluetooth Core Specification, CSS Version 7." Bluetooth Special Interest Group (SIG).

[4] "Bluetooth Core Specification Addendum 6." Bluetooth Special Interest Group (SIG).

[5] "Mesh Profile Bluetooth Specification." Bluetooth Special Interest Group (SIG).

[6] "Mesh Model Bluetooth Specification." Bluetooth Special Interest Group (SIG).

[7] "Mesh Device Properties Bluetooth Specification." Bluetooth Special Interest Group (SIG).