Bluetoothテクノロジーの誕生

Bluetoothの歴史は第二次世界大戦にまで遡ります。Bluetoothの核となるのは、周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）技術をベースとした短距離無線通信です。これは、ハリウッド女優のヘディ・ラマーとピアニストのジョージ・アンタイルによって1942年8月に提案されました。ピアノの鍵盤の数に着想を得て、彼らは88種類の搬送周波数を用いて魚雷を制御しました。送信周波数は常に変化するため、一定の機密性と妨害電波対策を備えています。

当初、この技術は米軍の注目を集めず、1980年代まで戦場の無線通信システムには採用されませんでした。その後、周波数ホッピングスペクトラム拡散（FHSS）技術が、Bluetooth、WiFi、3Gモバイル通信システムにおける無線データ伝送の問題を解決する上で重要な役割を果たしました。

Bluetooth技術は、1994年にエリクソンが携帯電話とその他のアクセサリ間の低消費電力・低コストの無線通信接続方法を研究する構想を考案したことから始まりました。発明者たちは、デバイス間の無線通信のための統一ルール（標準化プロトコル）を作成することで、ユーザー間のモバイル電子機器の互換性の問題を解消し、RS-232シリアル通信規格に代わるものを目指しました。1997年より以前、エリクソンはこの構想を携えてモバイル機器メーカー各社と連携し、プロジェクトの共同開発について協議を行い、その成果は支持されました。

1998年5月、IntelとIBMによるBluetooth技術提携が発足しました。これは、NokiaとEricssonによる低コストの合弁事業です。当時、Bluetoothはベースバンド通信プロトコルとLMP（Link Manager Protocol）をサポートする仕様0.7を発表しました。

1999年には、0.8、0.9、1.0ドラフト、1.0A、1.0bがリリースされました。1.0ドラフト版では、SDP（サービス検出プロトコル）プロトコル、TCS（電話制御仕様）の合意が完了しました。バージョン1.0は1999年7月26日に正式リリースされました。2.4GHz帯を使用し、最大データ伝送速度は1Mbpsと決定され、同時に大規模な広報活動が開始されました。当時普及していた赤外線技術と比較して、Bluetoothは伝送速度が速く、赤外線のようなインターフェースを接続する必要がありません。Bluetoothデバイスは、有効通信範囲内であればいつでも接続できます。

Bluetoothバージョンの仕様と機能

第一世代Bluetooth：短距離通信の初期の探究

1999年: Bluetooth 1.0

初期のBluetoothバージョン1.0Aおよび1.0bにはいくつかの問題があり、複数のメーカーが自社製品間の互換性の欠如を指摘していました。同時に、2つのデバイスのハンドシェイクプロセス中にBluetoothハードウェアアドレス（BD_Addr）が送信されるため、プロトコルレベルでは匿名化できず、データ漏洩のリスクがありました。一部のユーザーはこれを懸念していました。

2001年: Bluetooth 1.1

Bluetoothバージョン1.1は、物理層（PHY）とメディアアクセス制御（MAC）の仕様を定義するIEEE 802.15.1規格に正式に記載されており、0.7Mbpsの伝送速度でデバイス間の無線接続に使用されます。しかし、初期の設計のため、同一周波数帯の製品からの干渉を受けやすく、通信品質に影響を与える可能性があります。

2003年: Bluetooth 1.2

Bluetoothバージョン1.2はバージョン1.1との下位互換性があります。バージョン1.0で明らかになったセキュリティ上の問題に対処するため、匿名モードが改良され、シールドデバイス（BD）のハードウェアアドレス（Addr）機能が追加されました。これにより、ユーザーをIDスニッフィング攻撃や追跡から保護します。さらに、以下の4つの新機能が追加されました。

• AFH (適応型周波数ホッピング) テクノロジーは、Bluetooth 製品と他の無線通信デバイス間の干渉を低減します。
• ESCO (拡張同期接続指向リンク) は、同期リンク指向チャネル技術を拡張して QoS オーディオ伝送を提供し、さらに高次の音声およびオーディオ製品のニーズを満たします。
• ステレオ サウンド伝送要件をサポートしますが、シンプレックス モードでのみ動作します。

第2世代Bluetooth：電力伝送速度のEDR時代

2004年: Bluetooth 2.0

Bluetooth 2.0はバージョン1.2の改良版です。新しい拡張データレート（EDR）テクノロジーにより、マルチタスク処理能力が向上し、複数のBluetoothデバイスの同時動作が可能になり、Bluetoothデバイスの伝送速度は最大3Mbpsに達します。

Bluetooth 2.0はデュプレックスモードをサポートしており、音声通信と同時にドキュメントや高画質画像の送信が可能です。また、EDR技術によりデューティサイクルを低減することで消費電力を削減します。さらに、帯域幅の拡大により、Bluetooth 2.0では接続可能なデバイス数が増加します。

2007年: Bluetooth 2.1

Bluetooth 2.1で新たに追加されたスニフサブレーティング省電力機能により、デバイス間の相互確認信号の送信間隔が旧バージョンの0.1秒から約0.5秒に延長され、Bluetoothチップの作業負荷が大幅に軽減されます。

さらに、SSPの新機能であるシンプルセキュリティペアリング機能により、Bluetoothデバイスのペアリングエクスペリエンスが向上し、使い勝手とセキュリティの強度が向上しました。NFC近距離無線通信にも対応しており、NFCチップを内蔵した2台のBluetoothデバイスが互いに近接している限り、ペアリングパスワードは手動入力なしでNFC経由で送信されます。

第3世代Bluetooth：高速、最大24Mbpsの伝送速度

2009年: Bluetooth 3.0

Bluetooth 3.0では、オプションの高速化技術が追加されました。これにより、Bluetoothで802.11 Wi-Fiに接続し、高速データ転送を実現できます。転送速度は最大24Mbpsで、Bluetooth 2.0の8倍です。VCRからHDTV、PCからPMP、UMPCからプリンターへのデータ転送を容易に実現できます。

Bluetooth 3.0 の中核は AMP (Generic Alternate MAC / PHY) です。これは新しい代替 RF テクノロジであり、Bluetooth プロトコル スタックがあらゆるタスクに適した RF を動的に選択できるようにします。

消費電力の面では、Bluetooth 3.0 では EPC 強化電力制御テクノロジが導入され、802.11 によって補完され、実際のアイドル時の電力消費が大幅に削減されます。

さらに、新しい仕様では、Bluetooth デバイスの対応機能を向上させるために、UCD 一方向ブロードキャスト コネクションレス データ テクノロジも追加されています。

第4世代Bluetooth：低エネルギー

2010年: Bluetooth 4.0

2010年7月7日、Bluetooth Technology AllianceはBluetooth 4.0仕様を発表しました。その最も重要な特徴は省電力化です。Bluetooth 4.0は、3つの仕様を統合した、Bluetooth統合プロトコル仕様としては初のものです。低消費電力Bluetooth、従来のBluetooth、高速Bluetoothの3つのモードも提案されています。

高速 Bluetooth は主にデータの交換と伝送に重点を置いています。従来の Bluetooth は情報通信とデバイスの接続に重点を置いています。低電力 Bluetooth は帯域幅をあまり占有しないデバイス接続に重点を置いており、旧バージョンと比較して消費電力が 90% 削減されています。

BLEの前身は、ノキアが開発したWi-Fi技術です。モバイル機器向けに特別に開発された超低消費電力のモバイル無線通信技術として、BLEはSIGに承認・標準化された後、Bluetooth Low Energy（以下、低消費電力Bluetooth）と改名されました。これら3つのプロトコル仕様は、相互に組み合わせることで、より幅広い応用形態を実現することも可能です。

Bluetooth 4.0チップモードは、シングルモードとデュアルモードに分かれています。シングルモードはBluetooth 4.0のみで通信可能で、3.0/2.1/2.0との下位互換性はありません。デュアルモードはBluetooth 3.0/2.1/2.0との下位互換性があります。前者は、消費電力が大きい心拍計や体温計などのボタン電池を使用するセンサーデバイスに適用され、後者は低消費電力の要求を考慮した従来のBluetoothデバイスに適用されます。

さらに、Bluetooth 4.0では、Bluetoothの伝送距離が100メートル以上に延長されます（低消費電力モード時）。応答速度が高速化されたことで、接続の確立からデータ転送の開始まで最短3ミリ秒で完了します。パケット暗号化と認証には、AES-128 CCM暗号化アルゴリズムを採用し、より安全な技術となっています。

2013年: Bluetooth 4.1

Bluetooth 4.1では、伝送速度と伝送範囲に大きな変化はありませんが、ソフトウェア面では顕著な改善が見られます。このアップデートの目的は、Bluetooth SmartテクノロジーをIoT（モノのインターネット）の発展の中核的な原動力にすることです。

LTEとのシームレスな連携をサポート。BluetoothとLTE無線信号で同時にデータを解釈する場合、Bluetooth 4.1はそれらの間の伝送情報を自動的に調整し、協調伝送を確保し、相互干渉を低減します。

これにより、開発者とメーカーは Bluetooth 4.1 デバイスの再接続間隔をカスタマイズできるようになり、開発者はより柔軟かつ制御できるようになります。

クラウド同期をサポート。Bluetooth 4.1では専用のIPv6チャネルが導入され、クラウド内のデータをIPv6経由で同期することで、モノのインターネット（IoT）のアプリケーション要件を満たすことができます。このプロセスは、インターネットに接続可能なデバイス（携帯電話など）との接続によって実現されます。

拡張デバイスと中央デバイス間のロール交換をサポートします。Bluetooth 4.1規格に準拠したヘッドセット、スマートウォッチ、キーボード、マウスは、PC、タブレット、スマートフォンなどのデータハブを介さずに、独立してデータの送受信が可能です。例えば、スマートウォッチや歩数計はスマートフォンを介さずに直接通信できます。

2014年: Bluetooth 4.2

Bluetooth 4.2 の伝送速度は、Bluetooth スマート パケットの容量が増加したため、前世代の 2.5 倍高速化しており、保持できるデータ量は前世代の約 10 倍です。

伝送速度とプライバシー保護が向上します。Bluetooth信号がユーザーのデバイスに接続または追跡しようとする場合、ユーザーの承認が必要です。ユーザーは追跡される心配なくウェアラブルデバイスを使用できます。

IPv6ベースの低速無線パーソナルエリアネットワーク規格である6LoWPANをサポートしています。Bluetooth 4.2デバイスは、IPv6と6LoWPANを介して直接インターネットにアクセスできます。この技術により、複数のBluetoothデバイスが1つの端末を介してインターネットまたはLANに接続できるようになります。これにより、ほとんどのスマートホーム製品は、比較的複雑なWi-Fi接続を廃止し、Bluetooth伝送に切り替えることができるため、パーソナルセンサーとホーム間の相互接続がより便利で高速になります。

第5世代Bluetooth：モノのインターネット時代の扉を開く

2016年: ブルートゥース5.0

Bluetooth 5.0は、低消費電力モードにおいて、より高速でより長い伝送容量を実現します。伝送速度はBluetooth 4.2の2倍（速度上限は2Mbps）、有効伝送距離はBluetooth 4.2の4倍（理論上最大300メートル）、パケット容量はBluetooth 4.2の8倍です。

屋内測位ナビゲーション機能をサポートし、WiFi と組み合わせることで 1 メートル未満の屋内測位精度を実現できます。

IOT(モノのインターネット)基盤の最適化に向けて、スマートホームサービスの消費電力削減とパフォーマンス向上に努めます。

メッシュメッシュネットワーク：モノのインターネット実現の鍵

メッシュネットワークは、独立した研究開発ネットワーク技術です。Bluetooth機器を信号中継局として使用し、非常に広大な物理エリアでデータをカバーできます。Bluetooth 4および5シリーズのプロトコルと互換性があります。

従来のBluetooth接続は、デバイス同士を「ペアリング」することで「1対1」または「1対多」のマイクロネットワーク関係を確立することで実現されます。メッシュネットワークは、デバイス間で「多対多」の関係を実現します。メッシュネットワークでは、各デバイスノードが情報を送受信できます。デバイスがゲートウェイに接続されている限り、ノード間で情報が中継されるため、通常の電波の伝送距離よりも遠くまでメッセージを伝送できます。

このようにして、メッシュ ネットワークは、製造工場、オフィス ビル、ショッピング センター、ビジネス パーク、さらに広範囲のシーンに分散することができ、照明機器、産業オートメーション機器、セキュリティ カメラ、煙探知機、環境センサーに対してより安定した制御スキームを提供できます。

2019年: Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1技術仕様では、方向探知機能を使用してBluetooth信号の方向を検出し、位置情報サービスを改善しています。Bluetooth方向探知機能の助けを借りて、開発者は機器の方向を検出し、センチメートルレベルの測位精度を実現できる製品を市場に投入できます。Bluetoothローカルサービスは、RSSIを使用して2つのデバイス間の距離を測定します。RTLSおよびIPSシナリオでは、3倍の測距と方向探知技術を使用することで、センチメートルレベルの測位を実現できます。方向探知技術は、ブルーム信号を決定するために、到着角度（AOA）と到着角度（AOD）という2つのアンテナアレイ技術に依存しています（次の図を参照）。

1. 方向探知のAOA技術

送信信号が受信機のアンテナアレイを通過する際、受信機のアンテナアレイは異なる角度と方向から送信信号を受信し、それぞれの方向は送信信号のベクトル位相とみなされます。受信機はアンテナアレイ内のアクティブアンテナのIQサンプルを抽出し、IQサンプルに基づいて信号の方向を計算できます。AOA方向探知は、RTLS、アイテム探知、ポール探知などのローカルサービスに続いて適用できます。

2. 方向探知のAOD技術

AOD方向探知は、IPSのルート探索やナビゲーションにおいて一般的に使用されます。ロケーターはアンテナアレイを使用します。受信機は一般的な携帯電話（もちろん、対応するアプリが必要です）で、必要なアンテナは1つだけです。ロケーターの複数の信号から信号が送信されると、これらの信号は携帯電話のアンテナを通過し、携帯電話はIQサンプルを抽出して信号方向を計算します。 IQサンプルによると 。