Bluetooth Classic

概要

Bluetooth Classic（クラシックBluetooth）は、2.4GHz帯を使用した短距離無線通信規格で、主に音声通話・音楽ストリーミング・ファイル転送など、比較的高いスループットを必要とする継続的な通信に利用されます。1999年にBluetooth 1.0として策定されて以来、バージョンアップを重ね、現在はBluetooth 3.0以前を指すことが多いですが、Bluetooth 5.x以降もクラシックのプロファイルは引き続きサポートされています。

BLE（Bluetooth Low Energy）が登場した後、区別のために「Bluetooth Classic」または「BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate）」と呼ばれるようになりました。スマートフォン・ヘッドセット・スピーカー・キーボード・マウスなど、身近な機器で広く使われています。

歴史・背景

Bluetoothの名称はデンマーク・ノルウェーを統一したヴァイキングの王、ハラルド・ブルートゥース（Harald Bluetooth）に由来します。1994年にエリクソンが無線ケーブル代替技術として研究を開始し、1998年にはエリクソン・IBM・Intel・Nokia・東芝の5社がBluetooth SIG（Special Interest Group）を設立。1999年にBluetooth 1.0仕様を公開しました。

主なバージョン履歴は以下の通りです：

Bluetooth 1.0 / 1.1（1999〜2001年）: 最大1Mbps（実効700kbps程度）、基本的な音声・データ通信
Bluetooth 1.2（2003年）: AFH（Adaptive Frequency Hopping）で干渉耐性向上、eSCO対応
Bluetooth 2.0 + EDR（2004年）: EDR（Enhanced Data Rate）で最大3Mbps、A2DP対応で音楽ストリーミングが普及
Bluetooth 2.1 + EDR（2007年）: SSP（Secure Simple Pairing）でペアリング簡素化
Bluetooth 3.0 + HS（2009年）: 802.11をデータ転送に利用した高速転送（理論値24Mbps）
Bluetooth 4.0（2010年）: BLE（Low Energy）を統合。デュアルモード対応へ
Bluetooth 5.x（2016年以降）: 通信距離・速度向上、広告拡張対応

技術仕様

物理層（PHY）

パラメータ	BR（Basic Rate）	EDR（Enhanced Data Rate）
変調方式	GFSK	π/4-DQPSK / 8DPSK
最大スループット	1 Mbps	3 Mbps
実効スループット	約700 kbps	約2.1 Mbps
周波数帯域	2.402〜2.480 GHz	2.402〜2.480 GHz
チャンネル数	79チャンネル（1MHz間隔）	79チャンネル
周波数ホッピング	1,600回/秒	1,600回/秒
最大通信距離	Class 1: 100m / Class 2: 10m / Class 3: 1m	同左
出力電力	Class 1: 100mW(20dBm) / Class 2: 2.5mW(4dBm) / Class 3: 1mW(0dBm)	同左

プロトコルスタック

Bluetooth Classicのプロトコルスタック構造：

アプリケーション層
├── プロファイル（A2DP / HFP / HID / SPP / OPP など）
├── GAP（Generic Access Profile）：デバイス発見・接続管理
├── SDP（Service Discovery Protocol）：サービス検索
└── コアプロトコル
    ├── RFCOMM（シリアルポートエミュレーション）
    ├── BNEP（ネットワークプロファイル）
    ├── L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）
    ├── HCI（Host Controller Interface）
    ├── LMP（Link Manager Protocol）
    └── Baseband（物理層）

主要プロファイル

プロファイル	略称	用途
Advanced Audio Distribution Profile	A2DP	高品質音楽ストリーミング（SBC / AAC / aptX など）
Hands-Free Profile	HFP	ハンズフリー通話
Headset Profile	HSP	ヘッドセット
Human Interface Device Profile	HID	キーボード・マウス
Serial Port Profile	SPP	シリアル通信エミュレーション
Object Push Profile	OPP	ファイル転送
File Transfer Profile	FTP	ファイル管理
Personal Area Networking Profile	PAN	ネットワーク共有

動作原理

ピコネットとスキャッタネット

Bluetooth Classicはピコネット（Piconet）と呼ばれる小規模ネットワーク単位で動作します：

マスター: ピコネットを制御するデバイス（1台）
スレーブ: マスターに接続するデバイス（最大7台アクティブ、最大255台パーク状態）
スキャッタネット: 複数のピコネットをブリッジするデバイスが参加する構成

周波数ホッピング（FHSS）

2.4GHz帯はWi-Fi・電子レンジ・ZigBeeなど多くの機器が混在します。Bluetooth ClassicはFHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）を採用し、79チャンネルを1秒間に1,600回切り替えることで干渉耐性を確保します。

Bluetooth 1.2以降はAFH（Adaptive Frequency Hopping）により、使用中のチャンネルを動的に回避できます。

接続シーケンス

1. インクワイアリ（Inquiry）
   → マスター候補がIAC（Inquiry Access Code）を送出
   → スレーブがFHS（Frequency Hop Synchronization）パケットで応答

2. ページング（Paging）
   → マスターがターゲットのBDアドレスを使いページアクセスコードを送信
   → スレーブが応答し、タイミング同期を確立

3. 認証・暗号化
   → PINコードまたはSSP（Secure Simple Pairing）でペアリング
   → リンクキーを生成・保存

4. データ転送
   → ACL（非同期接続）またはSCO/eSCO（同期接続：音声）リンクを確立

音声通信（SCO / eSCO）

音声通信はSCO（Synchronous Connection Oriented）リンクを使用します：

SCO: 固定64kbpsのPCM音声、CVSD符号化
eSCO（Bluetooth 1.2以降）: 再送制御あり、より高品質な音声

// LinuxのBlueZでSCOソケットを開く例
int sock = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_SEQPACKET, BTPROTO_SCO);
struct sockaddr_sco addr;
memset(&addr, 0, sizeof(addr));
addr.sco_family = AF_BLUETOOTH;
str2ba("XX:XX:XX:XX:XX:XX", &addr.sco_bdaddr);
connect(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));

用途・ユースケース

音声・音楽

最も普及しているのが音声関連用途です：

ワイヤレスヘッドフォン・イヤホン: A2DPでハイレゾ相当のストリーミング（aptX HD / LDAC）
スピーカー: Bluetooth対応ポータブルスピーカー
カーオーディオ: HFP/HFPでハンズフリー通話、A2DPで音楽再生
ヘッドセット: コールセンター・ゲーミングヘッドセット

周辺機器

キーボード・マウス: HIDプロファイルでPCやタブレットに接続
ゲームコントローラー: PS・Xbox等のコントローラー
プリンター: BPPプロファイルでワイヤレス印刷

産業・組み込み

シリアル通信代替（SPP）: RS-232Cケーブルの無線化
データ収集: POS端末・ハンディターミナルとの通信
医療機器: 生体信号モニタリング（HDP：Health Device Profile）

実装・開発のポイント

モジュール選択

組み込み開発では、以下のようなBluetooth Classicモジュールが一般的です：

モジュール	メーカー	特徴
CSR8635	Qualcomm	A2DP/HFP対応、音声処理内蔵
BC127	Sierra Wireless	AT コマンドで制御
RN52	Microchip	小型、SPP/HFP/A2DP対応
ESP32	Espressif	Wi-Fi + Bluetooth Classic + BLE の三刀流

ESP32はBluetooth ClassicとBLEの両方を搭載しており、組み込み開発で人気があります。

ESP32でのBluetooth Classic（A2DP）実装例

#include "BluetoothA2DPSink.h"

BluetoothA2DPSink a2dp_sink;

void setup() {
    // I2S出力先のDAC設定
    i2s_config_t i2s_config = {
        .mode = (i2s_mode_t)(I2S_MODE_MASTER | I2S_MODE_TX),
        .sample_rate = 44100,
        .bits_per_sample = I2S_BITS_PER_SAMPLE_16BIT,
        .channel_format = I2S_CHANNEL_FMT_RIGHT_LEFT,
        .communication_format = I2S_COMM_FORMAT_STAND_I2S,
        .intr_alloc_flags = ESP_INTR_FLAG_LEVEL1,
        .dma_buf_count = 8,
        .dma_buf_len = 64,
    };
    a2dp_sink.start("MyBTSpeaker");  // デバイス名を設定してA2DP受信開始
}

void loop() {
    // A2DPはバックグラウンドで動作
}

SPPによるシリアル通信例

#include "BluetoothSerial.h"

BluetoothSerial SerialBT;

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    SerialBT.begin("ESP32_SPP");  // デバイス名
    Serial.println("SPP Ready to pair");
}

void loop() {
    if (SerialBT.available()) {
        char c = SerialBT.read();
        Serial.write(c);          // UARTへ転送
    }
    if (Serial.available()) {
        char c = Serial.read();
        SerialBT.write(c);        // BTへ転送
    }
}

ペアリング・セキュリティ

レガシーペアリング（Bluetooth 2.0以前）: PINコード（4〜16桁）を両デバイスで入力
SSP（Secure Simple Pairing、Bluetooth 2.1以降）: Numeric Comparison / Passkey Entry / Just Works / Out of Band の4方式
セキュアコネクション（Bluetooth 4.1以降）: ECDH鍵交換でより強固な暗号化

他技術との比較