2030年までに300億台以上のデバイスが接続されると予測される中、IoT技術は産業界を変革しつつあります。しかし、一方で無線プロトコル間の干渉が信頼性を脅かしています。この変革の中心にあるのが、Zigbee、Bluetooth Low Energy（BLE）、Wi-Fi、Threadなどの無線技術です。それぞれのプロトコルは固有の利点を持つものの、2.4 GHz帯で同時に動作することで干渉の課題が発生します。本記事では、これらのプロトコルの特徴、直面する共存の課題、干渉を軽減する戦略について掘り下げ、IoTネットワークの信頼性を確保する方法を紹介します。

無線プロトコル

Zigbee：Zigbeeは低消費電力・低データレートの無線プロトコルで、メッシュネットワーク向けに設計されています。スマートホームオートメーション、産業制御、エネルギー管理システムで広く使用されています。メッシュネットワーク機能により、通信範囲の拡張と信頼性の向上が可能です。

Bluetooth Low Energy（BLE）：Bluetooth 4.0で導入されたBLEは、低消費電力かつ短距離通信に特化しています。ウェアラブル、健康モニタリング機器、スマートホームセンサーなど、電力消費を抑えたい用途に最適です。Bluetooth 5.0の登場により、BLEはメッシュネットワークにも対応し、IoTでの応用範囲が拡大しています。ただし、Wi-Fiと比べてデータ転送速度が控えめなため、大容量通信には不向きです。

Wi-Fi：Wi-Fiは、2.4 GHzおよび5 GHz帯域で動作し、高速なインターネットアクセスを可能にします。ビデオストリーミングやオンラインゲーム、スマートホームのハブなど、高帯域幅を必要とする用途で広く利用されています。通信速度と範囲は優れていますが、消費電力が高いため、バッテリー駆動のデバイスには適しません。

Thread：Threadは、IoTデバイス向けに開発された無線プロトコルで、IPv6ベースの低消費電力メッシュネットワーク技術です。照明、空調（HVAC）、セキュリティシステムなどのスマートホーム機器間通信を可能にします。オープンソースの接続標準「Matter」のトランスポート層として使用され、メーカー間の互換性を実現します。

Z-Wave：Z-Waveは、サブGHz帯を利用する低消費電力の無線プロトコルで、スマートホームにおける鍵、照明、センサーなどの接続に用いられます。メッシュネットワークに対応し、信頼性の高さや干渉の少なさから広く採用されています。

なぜ2.4 GHz帯で無線プロトコルが競合するのか？

2.4 GHz ISM帯域は 上記の複数の無線プロトコルやデバイスによって共有されています。この共有帯域では干渉、パケット衝突、パフォーマンス低下が発生しやすくなります。たとえば、Wi-Fiの高出力な信号は、BLE、Zigbee、Threadの信号を圧倒する可能性があります。また、BLEやZigbee、Threadが採用する周波数ホッピングやメッシュネットワーク技術も、Wi-Fiへの干渉を引き起こす可能性があります。主な共存課題は以下のとおりです：

• 干渉による信号の途絶：チャネルの重複は信号の途絶を引き起こし、データ損失や再送が必要になります。
• リアルタイムアプリケーションでの遅延：干渉による遅延が、時間的制約のあるアプリケーションに悪影響を及ぼします。
• Wi-Fi vs 低消費電力デバイスの帯域幅争い：高帯域プロトコルであるWi-Fiでも、BLEやZigbeeによる干渉でパフォーマンスが低下する場合があります。
• バッテリー寿命の低下：再送が増加することで電力消費が増え、バッテリー駆動デバイスの寿命を縮める原因になります。

効果的な共存戦略

パフォーマンスやセキュリティを損なわずに無線プロトコルを共存させるためには、高度なネットワーク技術の導入が不可欠です。以下は、干渉を最小限に抑え、無線共存を最適化するための代表的な戦略です：

• チャネルの割り当て：
• • Wi-Fi：5 GHz帯など混雑の少ないチャネルに設定することで、BLEやZigbeeとの干渉を抑制。
  • BLE／Zigbee：Wi-Fiの周波数と重ならないチャネルを選定することで、干渉のリスクを回避。
• 時分割多重（TDM）：異なるタイミングで通信をスケジューリングし、複数のデバイスが干渉なく同一帯域を共有可能に。
• 周波数ホッピング（AFH）：BLEは、混雑したチャネルを自動的に回避するAFHを採用し、安定した通信を実現。
• 出力制御：特にWi-Fiデバイスの送信出力を調整することで、BLEやZigbeeへの干渉を低減可能。
• 共存プロトコル：IEEE 802.15.2などの標準は、WPANとWLANの調和的な動作を規定し、干渉の軽減に貢献。
• メッシュネットワークの強化：代替経路を経由してデータをルーティングすることで、高干渉エリアを回避し、ネットワークの回復力を高める。

干渉によるセキュリティへの影響

干渉はパフォーマンスだけでなく、セキュリティにも影響を及ぼします。通信の途絶は、不正アクセスやデータ漏洩といった脆弱性を招く恐れがあります。たとえば、干渉により接続が切れたデバイスが再接続を試みる際、悪意あるネットワークに誤って接続される　可能性があります。したがって、暗号化や認証プロトコルなど、堅牢なセキュリティ対策が不可欠です。

さらに、影響はデジタル領域にとどまりません。無線帯域にブロードバンド信号を意図的に流す、あるいはWi-Fiがチャネルを独占することによって、侵入センサーなどの通信が妨害され、重大な警報が送信されない危険性もあります。さらに、干渉が継続的に発生すると、デバイスが繰り返し再送を試みることでバッテリーが急速に消耗し、機能不全に陥る可能性もあります。

法規制への対応

無線デバイスを運用するにあたり、各地域の規制に準拠する必要があります。米国では連邦通信委員会（FCC）が、欧州では欧州電気通信標準化機構（ETSI）などが、無線周波数の使用を規制しています。法規制への適合により、指定された周波数帯や出力レベルでの運用が保証され、国際的な互換性と干渉防止が実現されます。

スマート病院における共存課題の克服：ユースケース

スマート病院では、BLEを活用した患者モニタリングデバイスによりバイタルサインを測定し、ナースステーションへ送信しています。しかし、Wi-Fiの高出力信号による干渉が原因でデータ欠落や遅延が発生し、患者の安全性とケア効率が損なわれていました。これに対し、病院のITチームはチャネル管理とAFH（適応周波数ホッピング）の組み合わせにより解決を図りました。Wi-Fiネットワークを5 GHz帯の空きチャネルに設定し、BLEデバイスでAFHを有効化することで干渉を最小化。また、Wi-Fiアクセスポイントの送信出力を調整し、BLE信号への影響を低減しました。これにより、データの信頼性と低遅延が実現され、タイムリーかつ正確な患者モニタリングが可能となりました。この事例は、リアルタイム通信が重要な環境での戦略的な共存管理の重要性を示しています。

無線共存を向上させる新技術

無線通信の分野は進化を続けています。新しい技術や更新されたプロトコルは、現在の共存課題の解決を目指しています：

• Wi-Fi 6（802.11ax）：OFDMA（直交周波数分割多重）やTWT（ターゲットウェイクタイム）などの機能により効率性が向上し、干渉が低減。
• Bluetooth 5.4以降：データレートと通信範囲が向上し、共存メカニズムも強化。
• Threadプロトコル：IPベースの相互運用性を実現する統一スマートホーム標準。
• Zigbee：適応チャネル選択、衝突回避、使用時間の短縮などを備えたZigbeeの進化により、2.4 GHz帯での信頼性あるメッシュ通信が実現。
• サブGHz技術：LoRaやZ-Waveなどのプロトコルは、混雑の少ない帯域を使い、長距離通信と干渉の低減を実現。ただし、独自の規制および共存上の考慮が必要です。

DSRによる共存課題の解決支援

DSRは25年以上にわたり、革新的な技術でクライアントの課題解決を支援してきました。コンサルティング、エンジニアリング、ホワイトラベル製品、カスタム製品開発を通じて、複雑なIoTニーズに対応したソリューションを提供しています。特にWi-FiとZigbee／Threadの大規模IoT実装における共存課題に対して、DSRは市場投入可能なマルチプロトコル共存ソリューションを提供し、追加ハードウェアなしでZigbeeとMatterハブ間の橋渡しを実現しています。

マルチプロトコル共存ソリューションのデモはこちら：
 https://youtu.be/UimXY7nJ7J8

テストや詳細にご興味のある方は、ぜひ以下までご連絡ください：
 contact@dsr-corporation.com

結論

BLE、Wi-Fi、OpenThread、Zigbeeの共存は、IoTエコシステムの相互運用性確保に不可欠です。チャネル割り当て、AFH、出力制御、共存プロトコルなどの戦略を導入することで、これらの無線技術は同一周波数帯内でも協調　動作可能です。

Wi-Fi 6やBluetooth 5.4といった無線標準の進化に加え、ThreadやサブGHz技術などの新興プロトコルの登場により、共存性とネットワーク信頼性の向上が進んでいます。干渉への積極的な対処と新技術の活用により、IoTエコシステムは拡張性・効率性・信頼性のある無線接続を実現できます。

脚注：
IoT Analytics, “State of IoT 2024: Number of connected IoT devices growing 13% to 18.8 billion globally,” 最終更新日: 2024年9月3日, https://iot-analytics.com/number-connected-iot-devices/.