TD-LTEに配慮したBluetooth 4.1

Version 制定日
v4.1 2013年12月3日
v4.0
2010年6月30日
v3.0 + HS 2009年4月21日
v2.1 + EDR 2007年6月26日
v2.0 + EDR 2004年10月15日
v1.2 2003年11月5日

Bluetooth 4.1Bluetooth SIG発表しました。

Bluetooth4.0 の特色は、

  • TD-LTE/WiMAXとの共存環境への適応
  • 省電力モードLE の改善

です。

Bluetoothが、TD-LTE/WiMAXの受信に、TD-LTE/WiMAXの送信がBluetoothの受信に干渉するという前提で干渉回避策を盛り込んでいます。

Bluetooth が使用するISM帯(2400 MHz - 2500 MHz) に隣接するのは、Band 40 と Band 41 のTD-LTE/WiMAXです。

  • 2300 MHz - 2400 MHz  Band 40 TD-LTE用
  • 2400 MHz - 2483.5MHz Bluetooth
  • 2496 MHz - 2690 MHz  Band 41 TD-LTE用

日本の場合ソフトバンク4G UQ WiMAX 2+ が、Band41 を使っています。

Bluetooth 4.1の仕様で規定されているモバイル通信(MWS:MOBILE WIRELESS STANDARDS)との干渉回避策は、TDD方式のとの干渉回避策だけですので、Band 40 と Band 41のTD-LTE/WiMAX対応の回避策であることは明確です。


LTE・WiMAXとの共存環境への適応

「MWS COEXISTENCE LOGICAL SIGNALING SPECIFICATION」

Bluetooth が使用する2.4GHz帯(ISM帯)に隣接するモバイル通信(MWS:MOBILE WIRELESS STANDARDS)との干渉を抑制するために、「MWS COEXISTENCE LOGICAL SIGNALING SPECIFICATION」を新たに規定しました。

これは、1つの端末でBluetoothとWWSの両方を実装した端末 (MRT:Multi-Radio Terminal )で、Bluetooth コントローラと、LTEなどのモバイル通信(MWS)コントローラ間で、情報を共有するためのBUSとインターフェースの規定です。

MWS Bluetooth 共存のためシグナリング、メッセージング機構

MWSのフレーム送信開始タイミングなどの情報を共有する。

MWSとBluetooth間で双樹する信号は以下のとおり

Name Direction
FRAME_SYNC MWS → Bluetooth
MWS_RX MWS → Bluetooth
BLUETOOTH_RX_PR Bluetooth → MWS
BLUETOOTH_TX_ON Bluetooth → MWS
MWS_PATTERN MWS → Bluetooth
MWS_TX MWS → Bluetooth
802_RX_PRI Bluetooth → MWS
802_TX_ON Bluetooth → MWS
MWS_INACTIVITY_DURATION MWS → Bluetooth
MWS_SCAN_FREQUENCY MWS → Bluetooth


Train Nudging & Generalized Interlaced Scanning
Train Nudging

TEやWiMAXjなどのMWRのフレーム送受信開始・終了タイミングを合わせるために、Bluetoothの送受信タイミングを微調整(Nodging)します。

想定するWMSはTD-LTE/WiMAXですので、送信と受信が時系列で交互に行われます。

このWMSの送受信切り替えタイミングと一致したあBluetoothの送受信スロットが干渉を回避できます。

MOBILE_WIRELESS_STANDARDS_(MWS)_COEXISTENCE.png


TD-LTEの送受信タイミングは、基地局に従属同期していますので、端末側で送受信タイミングを調整できません。

Bluetooth側がTD-LTEにタイミングを合わせることで、BluetoothとTD-LTEタイミングを一致させ干渉回避します。


Generalized Interlaced Scan

TD-LTE/WiMAXとBluetoothの両方を搭載した端末(MRT)がTD-LTE/WiMAXの電波を送出している間は、BluetoothのPage Scan受信の50%が失敗する可能性がある。

このため、連続してPage Scanする代わりに、TD-LTE/WiMAXが送信している間はPage Scanを休む。


省電力モードLE の改善

LE Dual Mode Topology
Masterとしても、Slaveとしても動作するモードを追加

下図右側の2つがBluetooth 4.1で追加されたLEトポロジーです。

KはLのMasterでありMのSlave、OはQとPのSlaveです。

Masterとして動作しつつSlaveとしても動作することにより、単一のBluetoothデバイスがハブとしても周辺機器としても機能できるようになります。

Bluetooth_41_LT_Topology.png
上図右上のトポロジーで、スマホがLで、Bluetooth対応腕時計がK、心拍計がNだとします。
腕時計Kはハブとして心拍計Nから収集したデータ情報表示しつつ、スマホLにもデータを送ることができます。


まとめてバルク転送

腕時計Kは、心拍計NのようなSlave機器からのデータを、逐次転送ではなく、まとめてスマホLに送ることもできます(バルク転送)。


なお、LEでもハブと周辺機器の同時動作は、BR/EDR以前から可能でした。


その他の機能

Bluetooth 4.1の仕様で4.1からの新機能としてリストされている機能は以下のとおりです。

  1. Secure Connections
    BR/EDR での通信に、FIPS-approved algorithms (HMAC-SHA-256 and AES-CTR)と、 message integrity (AES-CCM) を追加
  2. Train Nudging & Generalized Interlaced Scan
  3. Low Duty Cycle Directed Advertising
    従来の Directed Advertisingは、High Duty Cycle Directed Advertisingとした。
  4. 32-bit UUID Support in LE
      UUID長128bit と 16bitの他に32bit長のUUIDを追加
  5. LE Dual Mode Topology
  6. Piconet Clock Adjustment
  7. Removal of At Least One New Feature
  8. LE L2CAP Connection Oriented Channel Support
  9. LE Privacy v1.1
  10. LE Link Layer Topology
  11. LE Ping
     LE Authenticated Payload Timeout になる前に、LEに対して有効なMIC:Message  Integrity Check を含むパケットを送信して、Timeout を防ぐ


必須な追加機能はなし

Bluetooth 4.1で追加された機能で必須な機能はありません、
4.1に明記されたエラッタ(修正)の実装が推奨されているだけです。

名称としては、Bluetooth 4.1というようなバージョン番号を使わないことになっています。

ロゴがあるのも、Blutooth Smarty, Bluetooth Smart Ready, 無印Bluetoothの3種類だけです。

  • Bluetooth Smart:LE が実装されている製品 
  • Bluetooth Smart Ready:LE と BR が実装されている
  • Bluetooth:LEが実装されていない

Bluetooth_Logo.png

4種類のPHY(BDR, EDR,HS,LE)のうちサポートしてるPHYの違いだけです。

Generic Attribute Profile (GATT) を使うのはどれも同じです

Bluetooht 4.1と 4.0以前との互換性は確保されています。

LEは4.0以降と互換で、BR/EDRは1.1以降と互換です。

WiFiなどの2.4GHz(ISM帯)を使うシステムとの干渉回避として、従来どおりAdaptive Frequency Hopping (AFH)も採用されています。


LE:Low Energy とBDR/EDRの違い
LEではチャネルの数を BDR/EDRの79ch から 40ch に半減させ周波数精度の要求を下げた。

40chのうち 3chは、デバイス検出に使う「Advertise Channel」にした
周波数ホッピングも緩やかにして、1.25msec の整数倍(「Connection Interval」時間単位)で周波数を切り替える仕様にした
高速周波数切り替えとそのための高精度のタイマーが不要になり、消費電力も低減する




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