Bluetooth Low Energy

Bluetooth Low Energy (Bluetooth LE, BLE)とは、無線PAN技術である Bluetooth の一部で、バージョン 4.0 から追加になった低消費電力の通信モード。Bluetooth は Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR) と Bluetooth Low Energy (LE) から構成される。
従来からの BR/EDR と比較して、省電力かつ省コストで通信や実装を行うことを意図して設計されている。BR/EDR とは独立しており、互換性は持たないが、BR/EDR と LE の同居は可能である。もとの仕様はWibreeという名称で2006年にNokiaによって開発されたものであり、これが2009年12月に Bluetooth 4.0 に Bluetooth Low Energy として統合された。
パソコン（Windows、macOS、Linuxなど）やモバイル端末（Android、iOS、Windows Phone、BlackBerryなど）で標準でBluetooth Low Energyに対応しており広く普及している。スポーツとフィットネス、医療、パソコン周辺機器、ビーコンなどに利用されている。

概要

BLEの基礎となったのは、Nokiaによって制定された「Wibree」という仕様である。その後、Bluetooth SIGに引き継がれ、2009年12年にBluetooth 4.0に追加されたものが、最初のBLEである。2013年にはそのアップデート版となるBluetooth 4.1、2014年に4.2、2016年に5がそれぞれ策定され、2017年現在これが最新のBLE仕様である。
このように、BLEは従来からのBR/EDRのメジャー・バージョンアップ版としてではなく、そもそも別個の規格として策定された仕様である。BR/EDRと比較して「省エネルギーであること」「複雑でないこと」「低コストであること」などを謳っており、その特徴を獲得することに仕様策定の目的が絞られている。事実、安価なハードウェア、簡素で拡張性のあるデータモデルが実現されており、BLE普及の原動力となっている。

呼称

2016年以降 Bluetooth SIGより ｢Bluetooth Smart｣｢Bluetooth Smart Ready｣の商標を廃止し､使用を禁止された｡ バージョン 4.0がリリースされた2009年当時、呼称としては、Bluetooth SmartおよびBluetooth Smart Readyなどといったものがあった。BR/EDRのみが実装されたものを「Bluetooth」、Bluetooth LEのみが実装されたものを「Bluetooth Smart」、Bluetooth LEおよびBR/EDRの両方が実装されたものを「Bluetooth Smart Ready」と呼称するのが提案されていた。また、これらの互換性をわかりやすくするため、Bluetooth SIGはロゴ策定の計画を発表していた。

Bluetooth BR/EDRとの互換性

Bluetooth LEはBluetooth BR/EDRとは異なる規格であるため、互換性を持たない。しかしながら、Bluetooth 4.0の仕様書においては、LEとBR/EDRのどちらか、あるいは両方の実装をすることが許可されている。また、LEはBR/EDRと同様の2.4 GHzの周波数帯を利用している。これにより両方をサポートするデバイスでは、ハードウェアとしては一つのアンテナを共有することができる。
互換性について、Bluetooth SIGによってデバイスリストが公開されている。

通信速度と到達距離

BLEにおける通信速度の規格値は、Bluetooth 4.0は1Mbps、5は2Mbps, 1Mbps, 500kbps, 125kbpsである。ただし、様々な制約により、現実的な通信速度は10kbps程度にとどまる。これは、BLEが「省エネルギー」を主眼に置いており、「通信速度を最低限に抑えれば消費エネルギーも少ない」というトレードオフの結果である。
また、到達距離についても、30メートル以上の距離を設定することは可能ではあるが、実際には5メートル程度にまで短くされる。これも通信速度と同様の理由による。Bluetooth 5 では通信速度を 125 kbps にすることで最大到達距離が400mとなった。

ネットワーク構成

BLEでは、デバイスとデバイスが通信をおこなう方法として、ブロードキャストとコネクションという2つの方法を定義している。なお、あるBLEネットワーク内において、これらの方法が混合して存在し、通信をおこなっていてもかまわない。

ブロードキャスト

ブロードキャストは、あるBLEデバイスから別のBLEデバイスに対して、一方的にデータを送信するための通信方法である。あるBLEデバイスが、一定周期でデータを発信し続け、別のBLEデバイスがそれをスキャン・受信することによって、データのやり取りをおこなう。
この通信方法において、データを発信するデバイスをブロードキャスター、データを受信するデバイスをオブザーバーと呼ぶ。また、ブロードキャスターが発信しているデータのことをアドバタイズパケットと呼ぶ。アドバタイズパケットには、仕様に定められた範囲内で、自由なデータを設定することができる。
あるひとつのブロードキャスターが、不特定多数のオブザーバーに対して、同時に同じデータを発信できることが特徴で、よって機密性を要求されるようなデータのやり取りには不適である。例えば、「測定した温度データを一定周期に発信し続ける温度計（ブロードキャスター）」と、「受信した温度データを利用者に通知するアプリケーション（オブザーバー）」といったような利用法がある。
現実に利用されている例にAppleによって策定されているiBeaconがある。

コネクション

コネクションは、あるBLEデバイスと別のBLEデバイスとの間で、相互にデータを送受信するための通信方法である。ブロードキャストとことなり、データの送受信は、コネクションに参加したデバイス間のみで、プライベートにおこなわれる。
この通信方法において、通信のホスト（コネクションを開始する側）となるデバイスをセントラルもしくはマスター、セントラルからのコネクション開始要求を受け付け、以降セントラルによって定められたタイミングでデータの送受信をおこなうデバイスをペリフェラルもしくはスレーブと呼ぶ。一般にセントラルはスマートフォンやタブレット、PCが担当する。ペリフェラルは、それらのデバイスが利用する周辺機器が担当する。意図的に、セントラルよりもペリフェラルのほうが実装要件が安易・安価となるよう設計されており、これはペリフェラルデバイス（BLEに対応した周辺機器）が多く開発される理由にもなっている。
通信には汎用属性プロファイル（汎用アトリビュートプロファイル Generic Attribute Profile、GATT）というデータ構造定義を用いており、GATTは広範な拡張性をもつため、各種デバイスは様々な目的のためにコネクションという通信方法を利用することができる。

プロトコルとプロファイル

BLEには、Bluetooth BR/EDRと同様に、プロトコルとプロファイルというふたつの仕様定義が存在している。

プロファイル

プロファイルには、「あるBLEデバイスにおいて用いられる、データの送受信定義やユースケースなど」が含まれる。プロファイルのうち、GATTとGAPはプロトコルに含まれる特殊なプロファイルであり、そのほかのプロファイルとは区別される。また、Bluetooth BR/EDRにおけるプロファイルとは全くの別物であり、定義などに互換性はない。

GAPとGATT

GAP（Generic Access Profile 汎用アクセスプロファイル）に定義されているのは、ブロードキャストや検索の方法、コネクションの確立・管理方法などである。BLE仕様においては最上位となる定義であり、すべてのBLEデバイスがこの定義に準拠、またサポート・実装していなければならない。
GATT（Generic Attribute Profile 汎用属性（アトリビュート）プロファイル）に定義されているのは、あるデバイスが保持しているデータ要素の検索方法や、書き込み・読み出し・プッシュをおこなうための基本的なデータモデルを定義している。すべてのBLEデバイスは、GATTで定義されている仕様のもとにデータのやり取りをおこなう。そのほかのプロファイルでおこなわれるデータ定義の基底となっており、データ層の最上位となる定義である。

チップ

2009年の後半以降、Bluetooth SmartのICチップの製造が多くの製造業者からアナウンスされた。実装にはソフトウェア無線が広く用いられるため、仕様のアップデートはファームウェアのアップグレードによって適用することができる。