IoT技術の代表「BLE：Bluetooth Low Energy」の動作原理を理解してみよう【前編】

Webアプリケーション開発技術の新潮流スタディーズ　第6回

Controller層（続き）

接続開始

Scanが終わると、ScannerはInitiatorとなります。 InitiatorはAdvertiserから再度Advertisingパケットを受信したタイミングで、これに返信する形で接続要求をAdvertiserに送ります。

接続後はInitiatorがMasterに、AdvertiserがSlaveとなり、Master側が通信の主導権を得ます。以降、マスターとスレーブは一定の間隔を置いて送受信を繰り返すことでデータをやり取りします。

マスター－スレーブ間の送受信

図中にいくつか示されているパラメータは、Initiatorの接続要求（CONNECT_REQ）によって決められます。 CONNECT_REQには次表の内容が含まれます。

Initiatorの接続要求（CONNECT_REQ）

パラメータ	意味
AA （Access Address）	接続後のアクセスアドレス
CRCInit	CRC[2]チェックサム計算の初期値
WinSize （transmitWindowSize）	1.25ミリ秒単位の送信ウインドウサイズ
WinOffset （transmitWindowOffsetvalue）	1.25ミリ秒単位の送信ウインドウオフセット
Interval （connInterval）	データパケットをやり取りする周期。1.25ミリ秒単位で、7.5ミリ秒以上4.0秒以下
Latency （connSlaveLatency）	スレーブがマスターの接続要求を無視できる回数。値の範囲は0 ～ 499
Timeout （connSupervisionTimeout）	接続を確認できない時間がこの値を超えたとき、接続が中断したと判断する
ChM	チャンネルマップ。データチャンネル（0 ～ 36）のうち使用するものをビットの1/0で表す
Hop	37個のデータチャンネルをこの値ずつずらして切り替える。値は5 ～ 16の範囲でランダムに決められる
SCA	マスターのスリープクロックの精度。スレーブが受信タイミングを同期する際に、この分だけ前倒しで動作を開始する

省電力を考えるために、connIntervalとconnSlaveLatencyの設定は特に重要です。スレーブはconnIntervalの周期に合わせて受信回路を動かします。この間隔が短いほど高頻度で通信できますが、電力消費は大きくなります。

また、スレーブは自身に返送できるデータを持っていない場合にconnSlaveLatencyの回数だけマスタの要求を無視できます。無視している間は受信回路を動かさなくて済むため、スレーブの電力消費を大幅に小さくできます。

connSlaveLatencyによって、実質的な接続間隔はconnIntervalの（connSlaveLatency＋1）倍になります。これをEffective Connection Interval（実効接続インターバル）といい、connSupervisionTimeoutの半分以下にする必要があります。

注

[2]: 巡回冗長検査。誤り検出符号の一種で、主にデータ転送などに伴う偶発的な誤りの検出によく使われている（Wikipediaより抜粋）。

接続確立後の通信

接続開始後はData Channel（0～36チャンネル）を用いてパケットをやり取りします。

Data Channelパケットの種類

Data Channelのパケットには次の3種類があります。

• LL Data PDU (Continuation)
• LL Data PDU (Start)
• LL Control PDU

LL Data PDUは上位層で必要となるデータを複数のパケット分割したものです。 連続するパケットのうち最初のものがStartで、残りはすべてContinuationです。

また、LL Control PDUは通信の状態を制御するために用いられます。 接続開始時にCONNECT_REQで設定した内容の更新や、エラー通知、暗号に関するものがあります。

パケット再送の仕組み

BLEでは信頼性のある通信のために各パケットにSN（Sequence Number）、NESN（Next Expected Sequence Number） という2つの値を持っています。SNとNESNは、それぞれ自分が送信するパケットのシーケンス番号と相手に次に送ってほしいパケットのシーケンス番号を表します。

例えば、マスターがSN＝0のパケットをスレーブに送ったとします。スレーブはこのパケットを受信し、問題がなければ次のパケットを要求するためにNESN＝1のパケットをマスターに送信します。マスターはこれを見て先ほど送信したSN＝0のパケットがスレーブに届いたことを確認し、次はSN＝1のパケットを送信します。

もし、スレーブが受信したパケットにビットエラーがあれば、スレーブはNESN＝0のパケットを送信し、マスターにパケットの再送を要求します。同じ仕組みはフロー制御にも使えます。もしスレーブの処理が追いつかずバッファがあふれそうなときも同様に、NESN＝0のパケットをマスターに送信することができます。

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今回はBLE解説の前編として、BLEの概要と層状アーキテクチャのうちControllerについて解説しました。 次回は、Host層とApplication層について解説します。 お楽しみに。