Bluetooth通信プロトコル完全ガイド：アーキテクチャ・プロファイル・他規格比較まで

Bluetoothは、短距離無線通信でPAN（Personal Area Network）を形成する世界標準技術です。バージョン4.0/5.x/LE、プロファイル、プロトコルスタックの全体像を体系的に理解し、用途に最適な実装選択ができるよう解説します。

Bluetoothプロトコルスタック アーキテクチャ（4層モデル）

物理層

• Radio（無線物理層）：2.4GHz ISM帯、GFSK/π/4-DQPSK/8DPSK変調、周波数ホッピング（1600hops/s, 1MHz間隔）、出力クラス1〜3（100mW〜1mW）
• Baseband（ベースバンド）：パケット構成、タイムスロット(625μs)、ホッピングシーケンス、電源制御、アドレッシング、エラー訂正（FEC/ARQ）

データリンク層

• LMP (Link Manager Protocol)：リンク確立/認証/暗号化鍵交換/パケットサイズネゴシエーション/パワーコントロール/モード制御（スニッフ/ホールド/パーク）
• L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol)：上位プロトコルへの統一インターフェース提供、多重化、セグメンテーション/リアセンブリ、QoS、グループ管理

ミドルウェア層

• RFCOMM：シリアルポートエミュレーション（仮想COMポート）。従来のRS-232アプリを無線化
• SDP (Service Discovery Protocol)：デバイスが提供するサービス/プロファイルを検索・取得
• ATコマンド：モジュール制御用コマンドセット（Hayes互換）
• 採用プロトコル：TCP/IP, UDP, IP, PPP, OBEX, WAP等（プロファイル経由で利用）

アプリケーション層

プロファイル（Profile）群。ユーザーが直接触れる機能単位を定義。

主要Bluetoothプロファイル

プロファイル	用途・特徴	典型デバイス
SPP (Serial Port Profile)	仮想シリアルポート。バイトストリーム透過転送	Arduino間通信、データロガー、モデム
HID (Human Interface Device)	キーボード/マウス/ジョイスティック/医療機器入力。USB HID準拠	ワイヤレスKB/マウス、ゲームパッド
HFP (Hands-Free Profile)	車載ハンズフリー/ヘッドセット双方向音声+制御	車載オーディオ、ヘッドセット
HSP (Headset Profile)	モノラル音声+基本制御（着信/切断/音量）	モノラルヘッドセット
A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)	高音質ステレオ音声ストリーミング（SBC/AAC/aptX/LDAC）	Bluetoothスピーカー、ヘッドホン
AVRCP (A/V Remote Control Profile)	リモコン操作（再生/停止/曲送り/音量）。A2DPと併用	リモコン、スマホアプリ、スピーカー
GATT (Generic Attribute Profile)	BLE必須。属性ベースのデータ交換。サービス/キャラクタリスティック定義	全BLEデバイス（センサ、ウェアラブル等）
GAP (Generic Access Profile)	デバイス検出/接続/セキュリティ/役割定義	全Bluetoothデバイス

Bluetooth vs 他無線プロトコル 比較

項目	Bluetooth Classic	Bluetooth LE (BLE)	Wi-Fi (802.11n/ac)	Zigbee (802.15.4)	Z-Wave	433MHz ISM
周波数	2.4GHz	2.4GHz	2.4/5GHz	2.4GHz/Sub-GHz	868/915MHz	433.92MHz
最大速度	2〜3Mbps	1〜2Mbps	数10Mbps〜Gbps	250kbps	100kbps	<10kbps
到達距離	10〜100m	10〜100m	50〜200m	10〜100m	30〜100m	50〜200m
消費電力	中〜高	極低	高	低	低	極低
メッシュ	不可（Mesh Profileで対応可能）	Mesh Profile標準対応	不可（EasyMesh別途）	標準対応	標準対応	不可
接続確立時間	〜100ms	〜3ms	秒単位	〜30ms	〜100ms	ms単位
主用途	音声/ファイル転送	IoTセンサ/ウェアラブル/ビーコン	高速データ/動画	スマートホーム/照明	スマートホーム/セキュリティ	簡易リモコン/センサ

Bluetoothプロトコルのメリット

• 世界標準・相互運用性保証（Bluetooth SIG認証）
• スマホ/PC/タブレットとネイティブ接続可能
• BLEでコイン電池数年駆動実現
• メッシュネットワークで大規模IoT展開可能（Bluetooth Mesh）
• オーディオコーデック豊富（SBC/AAC/aptX/LDAC/LC3）
• セキュリティ：ペアリング/暗号化/プライバシー（RPA）標準搭載
• 開発エコシステム成熟（SDK/スタック/モジュール/認証済みモジュール豊富）

バージョン別ハイライト

バージョン	年	主要特徴
4.0	2010	BLE導入（低消費電力）、GATT/GAP定義
4.1	2013	IPv6直接接続、専用チャネル、共存改善
4.2	2014	データ長拡張(251B)、プライバシー強化、LE Secure Connections
5.0	2016	2倍速度/4倍距離/8倍ブロードキャスト、LE Coded PHY
5.1	2019	方向検知(AoA/AoD)、GATTキャッシュ
5.2	2020	LE Audio (LC3)、EATT、Isochronous Channels
5.3	2021	接続サブレーティング、暗号鍵サイズ制御
5.4	2023	PAwR、広告データ暗号化、GATT改善

実装選択の指針

1. 音声ストリーミング必須 → Classic (A2DP/HFP) または LE Audio (5.2+)
2. 電池駆動センサ/ビーコン → BLE (GATTベース)
3. スマホアプリ直結 → BLE (GATT) または Classic SPP (Androidのみ)
4. 大規模センサネット/照明制御 → Bluetooth Mesh
5. 既存シリアル機器無線化 → SPP (Classic) または BLE透過モジュール
6. 超低コスト/片方向/長距離 → 433MHz/LoRa検討

結論

Bluetoothは「Classic（音声/高スループット）」と「LE（低消費電力/IoT）」の二本柱で、プロファイルとプロトコルスタックにより多様なユースケースをカバーします。バージョン5以降でメッシュ・長距離・高速化・オーディオ刷新が進み、用途幅はさらに拡大しています。プロジェクト要件（電源/距離/速度/相手デバイス/認証コスト）を整理し、最適なバージョン・プロファイル・モジュールを選定してください。技術相談・モジュール選定支援はお気軽にお問い合わせください。