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ISM バンドワイヤレス共存計算ツール

WiFi、Bluetooth、Zigbee、またはLoRaがISMバンドを共有している場合の衝突確率とスループットへの影響を分析します。デューティサイクルとチャネルを入力します。無料で即時に結果が得られます。

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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

ISMバンド共存解析では、スペクトルを共有するライセンスのないワイヤレスシステム間の干渉を評価します。IoTエンジニア、ワイヤレス・ネットワーク・アーキテクト、EMCのスペシャリストは、衝突確率モデルを使用して、混雑した帯域で堅牢なシステムを設計します。2.4 GHz ISM バンドは WiFi (802.11b/g/n/ax)、Bluetooth/BLE、Zigbee (802.15.4)、スレッド (802.15.4)、スレッド、電子レンジをホストし、それぞれ IEEE 802.15.2 共存ガイドラインに従ってチャネルプラン、変調、デューティサイクルが異なります。

衝突確率 P_Collision = DC_1 DC_2 F_Overlap は、デューティサイクル（DC）が時間領域のオーバーラップを決定し、周波数オーバーラップ（F_Overlap）がスペクトルの交差をキャプチャするという基本的なトレードオフを捉えます。重複するチャネルでは、デューティ・サイクルが 40% の WiFi、デューティ・サイクルが 2% の Zigbee を使用した場合、P_Collision = 0.4 * 0.02 = 0.8% の未処理衝突率が得られます。ただし、電力の非対称性によってキャプチャ効果が得られます。信号の差が 10 dB を超える場合は、強い信号が優勢になります。20 dBm の WiFi は、0 dBm の Zigbee よりも 20 dB 分上回ります。

ETSI EN 300 328とFCCパート15.247は、2.4GHzのISM動作を規制しています。WiFiでは最大100mW（20dBm）、指向性アンテナを使用したポイントツーポイントでは最大4W（36dBm）です。Zigbee チャネル 15、20、25、26（2.405～2.480 GHz）は WiFi チャネル 1、6、11 の間にあり、重複を最小限に抑えますが、排除するわけではありません。サブ GHz 帯域（EU では 868 MHz、米国の ETSI EN 300 220 および FCC パート 15.247 によると 915 MHz）では、パス損失が 10 ～ 15 dB 少なく、輻輳もはるかに少ないため、レンジクリティカルな IoT に適しています。

計算例

問題:同じフロアに 50 台の WiFi アクセスポイント (802.11ax) と 200 台の Zigbee センサーがあるスマートビルディングの共存を解析します。

システムパラメーター: -WiFi: 20 dBm EIRP、40% デューティサイクル (ヘビーユース)、チャネル 1/6/11 (3 チャンネルは重複なし) -ジグビー:0 dBm EIRP、1% デューティサイクル (定期レポート)、16 チャネル (11 ～ 26) -床面積:2000 m^2、平均デバイス間隔:6 m

IEEE 802.15.2 に準拠した衝突分析: 1.周波数オーバーラップ:WiFi チャネル帯域幅 = 22 メガヘルツ、ジグビー = 2 メガヘルツ -WiFi チャネル 1 (2401-2423) が Zigbee チャネル 11 ～ 15 チャネルとオーバーラップ -WiFi Ch 6 (2426-2448) は Zigbee Ch 16-20 と重複しています -WiFi Ch 11 (2451-2473) は Zigbee Ch 21-25 と重複しています -ジグビー・チャネル 26 (2480 MHz): あらゆる WiFi チャンネルとのオーバーラップを最小限に抑えます。

2.時間領域の衝突確率 (最悪の場合、同じチャネル): P_Collision = 0.40 * 0.01 = 0.4% の送信試行回数

3.パワーアシンメトリーの影響: -WiFi 20 dBm vs Zigbee 0 dBm = 20 dB 差 -6 m 離れた場合:2.4 GHz でのパス損失は約 50 dB -ジグビーノードで受信した WiFi: 20-50 = -30 dBm (AP が 6 m 離れている場合) -ジグビー受信機の感度:-100 dBm -干渉マージン:-30-(-100) = 感度が 70 dB 高い — ブロック済み

4.Zigbee パケットエラー率の推定: -WiFi 送信時:約 50 ～ 80% あたり (干渉 >> 信号) -WiFi デューティサイクルが 40% の場合の有効消費電力:0.4 * 0.7 = 28% -Zigbee による再試行 (最大 3 回の試行): 配信成功率が 99% を超える

5.緩和策の推奨事項: a) Zigbee をチャネル 25 または 26 (WiFi チャネル 11 の外側) に移動します。 b) WiFi プレゼンス中のバックオフを延長して IEEE 802.15.4 CSMA-CA を実装する c) ゲートウェイに両方の無線がある場合は PTA (パケット・トラフィック・アービトレーション) を使用する d) チャネルホッピングのあるスレッド/オープンスレッドを検討してください。

結果:チャネル 26 が Zigbee で CSMA が適切であれば、PER は 1% 未満になると予想されます。

実践的なヒント

  • ✓最適なWiFi共存を実現するには、Zigbeeチャンネル25と26（2.475-2.480 GHz）を使用してください。スペクトルの再増大があっても、2.401～2.473 GHz帯のWiFi帯域エッジからは外れます
  • ✓可能な場合は適応型周波数ホッピングを実装 — BLE AFHはチャネル品質を監視し、混雑した周波数を回避します。Thread/OpenThreadは802.15.4でも同様の機能を提供します
  • ✓信頼性が要求される産業用 IoT では、サブ GHz (LoRa 915 MHz、Sigfox 868 MHz) に移行してください。2.4 GHz よりもパス損失が 15 dB 少なく、WiFi からの干渉も最小限に抑えられます。

よくある間違い

  • ✗チャンネルが異なると干渉がないと仮定すると、WiFi 22 MHzチャンネルはZigbee 2 MHzチャンネルと重複します。WiFiチャンネル6は、「異なるチャンネル上」であっても、Zigbeeチャンネル16～20に影響します
  • ✗近距離の問題を無視すると、3 m離れたWiFi APはZigbeeレシーバーで-40 dBm、30 m離れたZigbeeコーディネーターは-70 dBmを生成し、30 dBの電力差により、オフチャネルでもWiFiが支配的になります。
  • ✗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ない-強い帯域外信号はLNAを飽和させ、異なるチャネルの信号を含むすべての信号のノイズフロアが10〜20dB上昇する
  • ✗デューティサイクルを一定に扱う — WiFi トラフィックはバーストし、アイドル状態のネットワークでは 5% のデューティサイクルが発生するが、ビデオストリーミングでは 60～ 80% のデューティサイクルが発生する、平均値ではなくピーク時を想定した設計

よくある質問

Zigbee チャネル 15、20、25、26 は WiFi チャネル 1、6、11 の間のギャップに含まれます (米国/EU 共通配備)。チャネル 26 (センター 2480 MHz) は WiFi チャネル 11 (センター 2462 MHz、幅 22 MHz) の完全に外側にあるため、最適なアイソレーションを実現します。チャネル 25 (2475 MHz) は WiFi チャネル 11 のスペクトルテールとわずかに重複していますが、一般的には安全です。信頼性を最大限に高めるには、チャネル 26 をプライマリ、チャネル 25 をセカンダリとして使用してください。WiFi チャネルのパスバンドに含まれるチャネル 11 ～ 14、16 ～ 19、および 21 ～ 24 は避けてください。
ETSI TR 103 526の共存分析によると、産業用IoTにはサブGHz（915MHz、ヨーロッパでは868MHz）が推奨されています。（1）915 MHzのパス損失は2.4 GHzと比較して10〜15 dB低く、同じ電力でレンジが3～4倍向上します。（2）輻輳がはるかに少なく、サブGHz ISMにはWiFi、Bluetooth、または電子レンジはありません。（3）壁からの浸透性が高いおよび産業機器。(4) 規制上のデューティ・サイクル制限 (EU 868 MHzでは 1%) により、チャネルの飽和を防ぎます。2.4 GHz LoRa の唯一の利点は、地域による変動がないグローバルなスペクトラムの可用性です。レンジクリティカルな環境や干渉が発生しやすい環境では、サブ GHz が決定的に勝ちます。
Bluetooth は 79 チャネル (2402-2480 MHz、1 MHz 間隔) にわたって周波数ホッピングスペクトラム拡散 (FHSS) を使用し、1 秒間に 1600 回チャネルを変更します。Bluetooth 1.2 以降のアダプティブ・フリークエンシー・ホッピング（AFH）は、混雑したチャネルを検出して回避します。通常、アクティブな WiFi と重複する 20 ～ 30 のチャネルを除外します。WiFi は固定チャネル上でダイレクトシーケンススペクトラム拡散 (DSS/OFDM) を使用します。共存手法：(1) WiFi チャネルのAFH回避、(2) コンボチップの PTA (パケット・トラフィック・アービトレーション) による時間領域多重化。(3) 空間分離 — 20 dB 以上の分離を備えたさまざまなアンテナ。最新のコンボチップ (クアルコム、ブロードコム) は、統合された共存プロトコルにより、WiFi アクティビティ中の Bluetooth パケット損失が 1% 未満を実現しています。
キャプチャ効果により、受信機は、パワー差がしきい値（通常、FM/FSKの場合は3〜10 dB、OFDMの場合は10〜20 dB）を超えたときに、重なり合う2つの信号の強い方をデコードできます。共存シナリオ：-40 dBm の WiFi に対して -70 dBm（30 dB の差）のジグビーでは Wi-Fi がキャプチャされます。これは、強いローカル信号が弱い干渉源を克服するのに役立ちますが、弱い所望の信号には影響します。Zigbee センサーの場合:WiFi にもかかわらずコーディネーターの近くでの送信は成功しますが、遠いセンサーは通信に支障をきたします。設計上の意義:Zigbee コーディネーターをセンサーの近くに置き、メッシュネットワークを使用してホップ距離を短縮し、規制が許す限り送信電力を増やします。

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