Bluetoothの実際の仕組みは？

1999年にBluetoothが初めて公式に発表されて以来、Bluetoothは日常生活に欠かせない存在となりました。現在では、スマートフォン、スマートウォッチ、ワイヤレススピーカー、ポータブルガジェットなどに、Bluetoothが搭載されています。

しかし、その人気にもかかわらず、多くの人はBluetoothがどのように機能するのかを知りません。そこで、信号周波数、バックグラウンド干渉からコーデック、レンジ、開発まで、Bluetoothが実際にどのように機能するのかをご紹介します。

Bluetoothとは？

Bluetoothがどのように機能し、新しいバージョンが以前のものより強力で優れているのか、その詳細を知る前に、Bluetoothが何であるかを理解することが重要です。

Bluetoothは、短距離・低消費電力の無線伝送技術です。2.402GHzから2.48GHzの電波領域で、非電離性の電磁波で構成されています。このため、他の無線通信機器と比較して低消費電力であることが特長です。そのため、小型のガジェットやスマートフォンに搭載しやすく、電池の消耗をあまり気にすることなく使用できます。

Bluetoothは、物理的な媒体を介さずに、開けた場所やいくつかの障壁を通過して移動することができます。特定のBluetooth信号がどこまで届くかは、主にその強度と、信号を認識できないほど歪ませたり劣化させたりする厚みや素材の障壁があるかどうかによって決まります。

Bluetooth はどのように機能するのですか？

携帯電話がヘッドセットに送信する Bluetooth 信号は、まずソフトウェアによって先行されます。写真や音声などのデータは、そのままではBluetoothで送信できません。まずコーデックと呼ばれる圧縮アルゴリズムを通過し、データを個々のパケットに変えます。

aptX、AAC、SBC、LDACなどのコーデックは、送信側と受信側のデバイス間で一致させる必要があります。異なるコーデックは異なるデータタイプに最適であり、電力使用量、転送速度、データ品質、接続範囲などの要素に影響を与えます。

Bluetoothのチャンネルは79種類あり、接続する機器はすべて1メガヘルツ（MHz）の帯域幅を持つ同じ周波数チャンネルに同調させる必要があります。その意味で、Bluetoothのチャンネルは、ルーターにあるWi-Fiのチャンネルに似ています。

Bluetoothを搭載した機器同士が近接すると、機器に内蔵された小型コンピューターチップを使って接続し、通信することができます。これが、Bluetoothの電波を発信・受信するためのハードウェアです。

信号の到達距離とBluetoothのクラス

一般に、周波数が低いほど、通信距離は長くなります。しかし、低周波数の信号は、高周波数の信号に比べ、伝送されるデータ量が著しく少なくなります。Bluetoothは電力に依存しています。

十分なエネルギーを投入すれば、高周波数でデータ量の多いBluetooth信号をより長い距離送信することができます。実際、消費電力、品質、通信距離のバランスを取ることで、新しいバージョンのBluetoothが生まれるのです。

クラス1のBluetoothは、100ミリワット（mW）で328フィート（約1.5メートル）の距離で送信します。
クラス2のBluetoothは、2.5mWで33フィート（約3.5メートル）以上送信します。
クラス3のBluetoothは、わずか1mWで信号を送信し、範囲は30フィート未満です。

参考までに、最近のBluetoothヘッドホン、ヘッドセット、電話機は、ほとんどがClass 2 Bluetoothで、一部はClass 3となっています。Class 1のBluetoothは、長距離通信を行うため、多くのエネルギーを必要とし、携帯用バッテリーだけでなく、外部電源を必要とするのが一般的です。Class 1のBluetoothデバイスは、IoTデバイスや工場や組立ラインでのアプリケーションのような産業用実装で見かけることができます。

バックグラウンドの干渉

人通りの多い道を歩いたり、混雑した地下鉄に乗ったりすると、ワイヤレスヘッドフォンに静電気が発生することにお気づきでしょうか。これは、前述した79のBluetoothチャンネルが原因です。

学校、図書館、オフィスで、あなたとみんなが約33フィートの範囲のBluetoothデバイスを使用している場合’、通常は79チャンネルで十分です。しかし、限られたスペースを何十台ものデバイスが奪い合うと、信号が干渉し始めます。

他人のBluetooth信号にアクセスすることはできませんが（同じチャンネルにデバイスを同調させても、Bluetoothは暗号化されています）、あなたの信号と衝突し、信号を劣化させることは可能です。脆弱性は、Bluetoothが短距離通信にのみ使用されるもう一つの理由です。数キロメートル単位の長距離通信ではなく、30～100フィート（約1.5～2.5メートル）程度の環境であれば、より簡単に制御することができるのです。

その他、Bluetoothの信号を妨害する要因として、以下のようなものがあります。

物理的なバリア。金属、しっくい、コンクリート、そして湿度がBluetoothの品質に最も影響を与え、木材、ガラス、プラスチックなどの素材はリストの最下位に位置します。
レシーバー感度。距離は信号を劣化させます。レシーバーの感度が十分でない場合、正しく受信してデコードできないことがあります。
送信電力：信号のベース電力が弱いほど、距離や障害物を通過する際に信号が弱くなります。

Bluetoothのバージョン

現在使われているBluetoothテクノロジーは、2000年代前半にあったものと同じではありません。同じ原理を踏襲しながらも、新しいバージョンのBluetoothは、より少ないコストでより多くのことができるようになっています。Bluetoothの開発で変わるのは、消費電力、通信距離、データ転送速度（オーディオのレイテンシーに影響）の3点です。

Bluetooth 1.0は電力を消費するものの、通信距離は33フィート、最大速度は1Mbpsにとどまりました。Bluetooth 2.0は3Mbpsでデータを転送できましたが、24MbpsのBluetooth 3.0の飛躍的な性能にはかないません。しかし、802.11プロトコル・アダプテーション・レイヤーを使用することで、Bluetooth 3.0デバイスから多くのエネルギーを取り除いています。

しかし、Bluetooth 1.0～3.0は、現在では市販の機器ではほとんど見かけなくなりました。Bluetooth 4.0とBluetooth 5.0に置き換わりました。どちらの規格もBluetooth Low Energyとして機能し、通信距離は800フィート、通信速度は2Mbpsを下回ることはありません。