Bluetoothのしくみ

私たちの世界がますますつながるにつれて、私たちは友人や家族と連絡を取り合うのに役立つ多くのテクノロジーを採用してきました。最も人気のあるものの1つはBluetoothテクノロジーであり、これは私たちが毎日使用する多くのデバイスに見られます。無線技術は、当社のコンピュータにマウスやキーボードを接続しています。それは我々のクルマに私たちの携帯電話を接続している私達の朝の通勤時に最新のポッドキャストに追いつくために、それが私たちのスマートフォンに当社smartwatchesと活動トラッカーを接続しています。

2つのデバイスが相互に通信する必要がある場合、会話を開始する前に、いくつかの点について合意する必要があります。合意の最初のポイントは物理的です：彼らは有線または無線信号を介して話しますか？ワイヤーを使用する場合、いくつ必要ですか— 1、2、8、または25？物理的属性が決定されると、さらにいくつかの疑問が生じます。

Bluetooth Special Interest Group（SIG）は、物理的な接続を必要とせずに、ハードウェアメーカーが新しいデバイスを作成するときに使用するワイヤレステクノロジ標準を作成します。テクノロジーが進化するにつれて、ワイヤレス通信テクノロジーも進化します。この記事の執筆時点では、開発者が接続を維持するために使用する2つのBluetoothテクノロジ標準があります。類似していますが、さまざまなアプリケーションに役立つ微妙な違いがあります。以下では、2種類のBluetoothテクノロジーについて学習します。

1. Bluetooth接続
2. Bluetoothテクノロジーの動作方法
3. Bluetooth範囲
4. Bluetoothセキュリティ

現在、無線通信は一般的な現象です。私たちの多くは、オフィスや家庭でWiFiインターネット接続を使用しています。ただし、Bluetoothデバイスは、ワイヤレスルーターなどの中間デバイスを介してトラフィックを送信するのではなく、相互に直接通信します。これにより、寿命が非常に便利になり、電力使用量が非常に少なくなり、バッテリーの寿命が延びます。

Bluetoothデバイスは、2.400 GHz〜2.483.5 GHzの周波数帯域の低電力電波を使用して通信します[出典：Bluetooth Special Interest Group（SIG） ]。これは、産業、科学、医療機器（ISM）の使用に関する国際協定によって確保されている数少ないバンドの1つです。

ベビーモニター、ガレージドア開閉装置、最新世代のコードレス電話など、すでに使用している可能性のある多くのデバイスは、この同じ無線周波数帯域を利用しています。 Bluetoothデバイスと他の無線通信技術が互いに干渉しないことを確認することが不可欠です。

2020年現在のBluetoothテクノロジには、Bluetooth Low Energy（LE）とBluetooth Classic（正式にはBluetooth Basic Rate / Enhanced Data Rate、またはBR / EDR）の2種類があります[出典：BluetoothSIG ]。どちらも同じ周波数帯域を使用して動作しますが、BluetoothLEがはるかに人気のあるオプションです。動作に必要なエネルギーがはるかに少なく、2つのデバイス間のポイントツーポイント接続を介した通信を可能にすることに加えて、ブロードキャストまたはメッシュネットワークにも使用できます。

従来のBluetoothテクノロジーは、Bluetooth LEよりもわずかに高いデータレート（1Mbsまたは2Mbsと比較して3Mbs）を提供できますが、ポイントツーポイント接続を使用した2つのデバイス間の直接通信にのみ使用できます。2種類のBluetoothテクノロジーにはそれぞれ固有の長所があり、メーカーは自社製品のニーズに最適なバージョンを採用しています。

なぜBluetoothと呼ばれるのですか？

ハラルドブルートゥースは900年代後半にデンマークの王でした。彼はなんとかデンマークとノルウェーの一部を単一の王国に統合し、その後デンマークにキリスト教を導入しました。彼は両親を記念して大きな記念碑、イェリングのルーンストーンを残しました。彼は息子のスヴェン1世との戦いの最中に986年に殺されました。標準にこの名前を選択することは、技術の仕組みについてほとんど言及していなくても、北欧地域（デンマーク、スウェーデン、ノルウェー、フィンランドなどの国）の企業が通信業界にとってどれほど重要であるかを示しています。

Bluetooth BR / EDRデバイスは常にペアリングする必要があります。この手順により、2つのデバイスのそれぞれが他方を信頼し、暗号化を使用して安全な方法でデータを交換できるようになります。

Bluetooth BR / EDRデバイスが相互の範囲内に入ると、電子的な会話が行われ、デバイスが相互に信頼していて、共有するデータがあるかどうかが判断されます。ユーザーは通常、ボタンを押したりコマンドを入力したりする必要はありません。電子会話は自動的に行われます。会話が発生すると、デバイスは、コンピューターシステムの一部であろうとステレオであろうと、ネットワークを形成します。

BluetoothLEの動作は異なります。デバイスをペアにしてデバイス間に信頼関係を形成することもできますが、すべてのタイプの製品でこれが必要なわけではありません。発見されたいBluetoothLEデバイスは、アドバタイジングと呼ばれるプロセスで特別なメッセージ（パケットと呼ばれる）をブロードキャストします。広告パケットには、広告デバイスに関する有用な情報が含まれています。別の適切なデバイスは、広告パケットをスキャン（リッスン）し、適切なデバイスからのものを選択することによって、広告デバイスを見つける。通常、スキャンは、ユーザーがスマートフォンアプリケーションのボタンを押すなどしてトリガーした場合にのみ発生します。通常、ユーザーには、検出された適切なデバイスの詳細が表示され、接続するデバイスを選択します。

同じ中央デバイス（スマートフォンなど）に接続されているBluetooth周辺機器（アクティビティトラッカーやスマートウォッチなど）は、パーソナルエリアネットワーク（PAN）またはピコネットを形成します建物全体を埋め尽くす場合もあれば、ポケットに入れられたスマートフォンと手首に付けられた時計の間の距離を超えない場合もあります。ピコネットが確立されると、そのメンバーは無線周波数を一斉にホップするため、互いに連絡を取り合い、同じ部屋で動作している可能性のある他のBluetoothピコネットやWiFiなどの他のワイヤレステクノロジーを使用するデバイスに干渉することを回避します。Bluetoothテクノロジは、どの無線チャネルが正常に機能していて、どの無線チャネルが干渉を受けているかを学習するため、不良チャネルを動的に回避し、干渉のないチャネルを使用できます。アダプティブ周波数ホッピングと呼ばれるこのプロセスにより、非常に多くのワイヤレスデバイスが動作している環境でも、Bluetoothデバイスを非常にうまく機能させることができます。

多くの人がBluetoothを主に短距離技術と考えていますが、Bluetoothを使用して1 km（3,280フィート）以上離れたデバイスを接続することもできます[出典：BluetoothSIG ]。実際、ワイヤレスヘッドホンなどの多くの種類の製品では、デバイスの通信範囲を非常に短くする必要があります。ただし、Bluetoothテクノロジは非常に柔軟性があり、アプリケーションのニーズに合わせて構成できるため、メーカーはデバイスのBluetooth設定を調整して、必要な範囲を実現すると同時に、バッテリ寿命を最大化し、最高品質の信号を実現できます。

Bluetoothデバイスの範囲にはいくつかの要因が影響します。

最新のBluetoothテクノロジアップデートの1つでは、受信機の感度を向上させるために、前方誤り訂正（FEC）と呼ばれる手法が導入されました。FECは、受信側で検出されたデータエラーを修正し、より多くの送信電力を使用することなく、デバイスの有効範囲を4倍以上改善します。これは、デバイスが送信機からはるかに長い距離にあるときにデータを正常に受信できることを意味します。この場合、信号ははるかに弱くなります[出典：BluetoothSIG ]。

Bluetoothテクノロジには、連邦情報処理標準（FIPS）に含まれているような、最も厳しいセキュリティ要件でも満たすことができる多くのセキュリティ対策が含まれています。

新しいデバイスをセットアップするとき、ユーザーは通常、ペアリングと呼ばれるプロセスを実行します。ペアリングすると、各デバイスに特別なセキュリティキーが装備され、相互に信頼できるようになります。ペアリングが必要なデバイスは、ペアリングされていない別のデバイスに接続しません。

これらのセキュリティキーにより、Bluetoothテクノロジはさまざまな方法でデータとユーザーを保護できます。たとえば、デバイス間で交換されるデータを暗号化して、他のデバイスで読み取れないようにすることができます。また、デバイスのIDとして機能し、ワイヤレスデータ交換に含まれるアドレスを偽装して数分ごとに変更することもできます。これにより、個人の電子機器から送信されたデータを使用して追跡されるリスクからユーザーを保護します。

Bluetooth対応デバイスを所有している場合は、これを実際に体験したことがあります。たとえば、コードレスマウスを購入した場合、最初に電源を入れたときに、使用する予定のデバイスとペアリングします。マウスをオンにしてから、コンピュータのBluetooth設定に移動して、近くのBluetoothアクセサリのリストにデバイスの名前が表示されたら、デバイスをペアリングします。コンピュータは、設計上、一度に多くのBluetooth接続を処理できます。コードレスマウス、キーボード、ヘッドフォンを使用することをお勧めします。

ただし、これらのアクセサリのメーカーは、接続を一度に1つに制限する予定です。キーボードをコンピューターでのみ入力するか、ヘッドホンで電話を特に聞くようにします。ユーザーがデバイスを複数のコンピューター、タブレット、または電話とペアリングできるものもありますが、一度に1つしか接続できない場合があります。それはすべて、製造業者が彼らの製品にとって賢明であると決定したものに依存します。

一部のデバイスは、別のデバイスとペアリングするときにセキュリティ用のコードを必要とします。これは認証の例ですまた、信頼関係を設定しているデバイスが、環境内の別のデバイスではなく、自分が考えているデバイスであることを保証します。たとえば、多くの車では、ハンドルから手を離さずに電話をかけることができます。この機能を初めて使用するときは、車のエンターテインメントディスプレイとスマートフォンを一緒に使用して、電話と車のオーディオシステムをペアリングする必要があります。車はあなたにタイプするための番号を与えます。あなたの電話はあなたにデバイスが数値コードを使ってペアリングしたいことを知らせます。エンターテインメントディスプレイからコードを入力して、これが許可されたペアリングであることを確認します。その後、再度ペアリングすることなく、ハンズフリー電話システムを使用できます。

ユーザーは、他のBluetoothデバイスに対するデバイスの可視性も制御できます。たとえば、コンピューターやスマートフォンでは、デバイスのBluetoothモードを「検出不能」に切り替えるか、必要になるまでBluetoothを無効にすることもできます。

初版：2019年11月11日

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