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ISMバンド無線共存計算機

WiFi、Bluetooth、Zigbee、LoRaが同じISMバンドを共有する際の衝突確率とスループットへの影響を推定します。

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公式

Pcollision=DC1100×DC2100×FsharedP_{collision} = \frac{DC_1}{100} \times \frac{DC_2}{100} \times F_{shared}
DC₁, DC₂ — Duty cycles of each protocol (%)
F_shared — Fraction of shared channel bandwidth

仕組み

<p>2.4 GHz ISM 帯域は WiFi (802.11b/g/n/ax)、Bluetooth/BLE、Zigbee (802.15.4)、スレッド、Z-Wave (2.4 GHz)、および電子レンジで共有されています。各プロトコルは異なるチャネルプラン、変調、デューティサイクルを使用するため、</p>送信の時間と周波数が重複すると干渉が発生します。<p>衝突確率は、<strong>デューティサイクル</strong>（各デバイスが送信する時間の割合）、<strong>チャネルオーバーラップ（共有されるチャンネルの数</strong>）、<strong>キャプチャ効果</strong>（電力差が約3 dBを超えると、受信機はより強い信号にロックオンできるため、効果的な衝突が減る）の 3 つの要因に左右されます。</p><p>実用的な共存戦略：<strong>周波数ホッピング</strong>（BLEとBluetooth Classicを79チャンネルでホップして持続的な干渉を回避）、<strong>適応型周波数ホッピング</strong>（BluetoothのAFHが占有チャネルを検出して回避）、<strong>タイムドメイン共存</strong>（パケット・トラフィック・アービトレーション/PTAチップがWiFiとBTの伝送ウィンドウを調整する）、<strong>およびサブGHz移行</strong>（LoRa、Sigfox、802.15.4g（915/868 MHzのLoRa、Sigfox、802.15.4g）により、輻輳した2.4 GHz帯域を完全に回避できます。)。</p>

計算例

スマート・ホーム・ゲートウェイ:Zigbee コーディネーター+WiFi AP (いずれも 2.4 GHz)。WiFi デューティサイクル 40% (ストリーミングビデオ)、3 チャネル。ジグビー・デューティ・サイクル 2%、16 チャネル共有チャネルの割合は、2/ (3+16) = 10.5% です。生のコリジョン = 0.40 × 0.02 × 0.105 = 0.084% — 非常に低いです。しかし、WiFi TX の電力は 100 mW (20 dBm) で、これに対して Zigbee は 1 mW (0 dBm) = 20 dB オフセットです。キャプチャ効果により、ZigBee→WiFi の干渉はほぼゼロまで低減しますが、ジグビー受信機は WiFi をノイズフロアの上昇が +5 dB と認識しているため、有効範囲は約 40% 減少します。

よくある間違い

  • ✗「チャネルが異なる = 干渉がない」という考え方：802.11b/g：中心周波数が 5 MHz だけ異なっていても、22 MHz 幅のチャネルは Zigbee 2 MHz チャネルと重複する
  • ✗遠距離の問題は無視してください。1 m離れたWiFi APでは、「別の」チャネルで送信している場合でも、Zigbeeレシーバーの感度が低下する可能性があります。
  • ✗レシーバーのブロッキング/デセンシゼーションは考慮されていません。帯域外信号が強いと、隣接するレシーバーのノイズフロアが10〜20dB上昇する可能性があります。
  • ✗デューティサイクルが一定だと仮定すると、WiFi トラフィックはバースト性が高く、ビデオストリーミング中のピークデューティサイクルは 80% 以上に達することがあります

よくある質問

Zigbee チャネル 15、20、25、26 は WiFi チャネル 1、6、および 11 の間のギャップに含まれます。チャネル 26 (2480 メガヘルツ) は WiFi チャネル 11 (センター 2462 メガヘルツ) の完全に外にあります。実際には、Zigbee チャネル 25 または 26 が WiFi 1/6/11 環境との共存に最適な方法です。
レンジクリティカルな IoT には、ほとんどの場合、サブ GHz（南北アメリカでは 915 MHz、ヨーロッパでは 868 MHz）の方が適しています。2.4 GHz と比較して 915 dB のパス損失は 10～15 dB 低く、帯域の輻輳もはるかに少なく、LoRaWAN のデューティサイクル制限 (ヨーロッパでは 1%) によってチャネルの飽和が防止されます。2.4 GHz LoRa の唯一の利点は、グローバルな周波数可用性であり、地域別の帯域プランの問題が発生しないことです。

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