2.4GHz無線の使用

2.4 GHz ISM 無線帯域にはさまざまな用途があります。2.4 GHzで動作するデバイス間で干渉が発生する可能性があります。この記事では、2.4 GHz 帯域のさまざまなユーザー、それらが他のユーザーに干渉を引き起こす仕組み、および他のユーザーからの干渉を受けやすい仕組みについて詳しく説明します。

米国とカナダの^{コードレス}電話機やベビーモニター^の多くは、2.4GHzの周波数を使用しています。 ^{[1]これは、} Wi-Fi規格802.​​11b、802.11g、802.11n、802.11axが動作するのと同じ周波数です。^{これにより}、速度が大幅に低下したり、^電話での会話中にWi-Fi信号が完全にブロックされたりすることがあります。^{[2]これを回避}する方法はいくつかありますが、簡単なものもあれば^、複雑なもの^{もあります}。

• 送信しない有線電話を使用する。
• 2.4GHz帯を使用しないコードレス電話の使用。
• 5GHz帯を使用します。
• 現在一般的に使用されているDECT 6.0 (1.9 GHz)、5.8 GHz、または 900 MHz の電話は、2.4 GHz 帯域を使用しないため、干渉しません。
• VoIP /Wi-Fi 電話は Wi-Fi ベース ステーションを共有し、Wi-Fi 競合プロトコルに参加します。
• 複数の異なる Wi-Fi チャネルが利用可能であり、電話チャネルを回避することが可能です。

最後の方法は、多くのコードレス電話がデジタルスペクトラム拡散方式を使用しているため、成功しない場合が^{あります。}この技術は^{盗聴を防ぐために}設計されましたが、電話はランダムにチャンネルを変更するため、電話の干渉から安全な Wi-Fi チャンネルは残っていません。

短距離パーソナル エリア ネットワークで使用するためのBluetoothデバイスは、2.4 ～ 2.4835 GHz で動作します。2.45 GHz 帯域を使用する他のプロトコルとの干渉を減らすために、Bluetooth プロトコルは帯域を 80 のチャネル (0 ～ 79 の番号、各 1 MHz 幅) に分割し、チャネルを 1 秒あたり最大 1600 回変更します。新しい Bluetooth バージョンには、Wi-FiチャネルなどのISM 帯域の既存の信号を検出し、通信する Bluetooth デバイス間でチャネル マップをネゴシエートしてそれらの信号を回避しようとするアダプティブ周波数ホッピング機能も搭載されています。

USB 3.0コンピュータケーブル規格は、ユーザーが同じコンピュータに接続したBluetoothデバイスに干渉する可能性のある大量の電磁干渉を生成することが証明されています。^[3]

Wi-Fi（/ ˈ w aɪ f aɪ /）^[4]は、IEEE 802.11規格に基づいたデバイスの無線ローカルエリアネットワーク技術です。Wi -FiはWi-Fi Allianceの商標であり、相互運用性認証テストに合格した製品にのみWi-Fi Certifiedという用語の使用を制限しています。 ^[5]

Wi-Fi テクノロジを使用できるデバイスには、デスクトップやラップトップ、ビデオゲーム機、スマートフォンやタブレット、スマートテレビ、デジタルオーディオプレーヤー、自動車、最新のプリンターなどがあります。Wi-Fi 対応デバイスは、WLAN とワイヤレスアクセスポイントを介してインターネットに接続できます。このようなアクセスポイント (またはホットスポット) の範囲は、屋内で約 20 メートル (66 フィート)、屋外ではさらに広くなります。ホットスポットの範囲は、電波を遮る壁のある 1 つの部屋ほどに狭くすることも、複数のアクセスポイントを重ねて使用することで数平方キロメートルに及ぶように広くすることもできます。

Wi-Fi にはさまざまなバージョンがあり、範囲、無線帯域、速度が異なります。Wi-Fi は、2.4 ギガヘルツ (12 cm) UHFおよび 5.8 ギガヘルツ (5 cm) SHF ISM無線帯域を最もよく使用します。これらの帯域は、複数のチャネルに分割されています。各チャネルは、複数のネットワークで時分割できます。これらの波長は、見通し線に最適です。多くの一般的な素材は、これらの波長を吸収または反射するため、範囲がさらに制限されますが、混雑した環境では、異なるネットワーク間の干渉を最小限に抑えるのに役立ちます。近距離では、適切なハードウェアで実行される一部のバージョンの Wi-Fi は、1 Gbit/s を超える速度を実現できます。

ワイヤレス ネットワーク インターフェイス コントローラの範囲内にいる人なら誰でもネットワークにアクセスすることができます。このため、Wi-Fi は有線ネットワークよりも攻撃 (盗聴と呼ばれる) に対して脆弱です。Wi -Fi Protected Access (WPA) は、Wi-Fi ネットワーク上で移動する情報を保護するために作成されたテクノロジ ファミリであり、個人および企業のネットワーク向けのソリューションが含まれています。セキュリティ環境が時間の経過とともに変化するにつれて、WPA のセキュリティ機能には、より強力な保護と新しいセキュリティ プラクティスが組み込まれてきました。

いかなる状況でも干渉が起こらないようにするために、Wi-Fi プロトコルでは 16.25 (11b) または 22 MHz (11g/n) のチャネル分離が必要です (下図参照)。残りのギャップは、エッジ チャネルに沿った十分な減衰を可能にするためのガード バンドとして使用されます。このガード バンドは主に、チャネルがいっぱいになりがちなモデム チップセットを搭載した古いルーターに対応するために使用されます。最近のほとんどの Wi-Fi モデムはチャネルが過剰に占有される傾向がありません。

重複する周波数は設定可能で、通常は機能しますが、干渉を引き起こし、特に使用頻度が高い場合は、速度低下が深刻になることがあります。特定の周波数サブセットは、干渉なく 1 つの場所で同時に使用できます (一般的な割り当てについては図を参照してください)。

ただし、送信機が同じ場所に配置されていない場合に必要な正確な間隔は、プロトコル、選択されたデータレート、距離、および機器が使用される電磁環境によって異なります。^[6]

距離と障害物の影響により、相対的なチャネルによる減衰がこれに加わります。規格によれば、同じチャネル上の送信機の場合、送信機はノイズフロアより3 dB 上で互いを検出できる場合、交代で送信する必要があります ( 20 MHz チャネルの熱ノイズフロアは約 -101  dBmです)。 ^[8]一方、送信機は、他のチャネルからの減衰信号強度がしきい値 P _{thを下回る場合、そのチャネルの送信機を無視します。このしきい値は、} Wi-Fi 6以外のシステムの場合、-76 ～ -80 dBm です。^[6]受信機で干渉 (ビットエラー) が発生する可能性はありますが、受信信号が他のチャネルの送信機からの減衰信号強度より 20 dB 以上高い場合、干渉は通常小さくなります。^[6]

全体的な影響としては、隣接する送信機のチャンネル間にかなりの重複がある場合、相互に干渉し合うことが多いということです。一般的に、使用チャンネル間に3つまたは4つのチャンネルの空きを残して4つまたは5つおきのチャンネルを使用すると、チャンネルを共有する場合よりも干渉がはるかに少なくなり、より狭い間隔でも距離が離れるほど使用できます。^{[9] [6]}

• 
  米国の最小限のネットワークレイアウト。3つのチャネルを使用してエリアをカバーします。
• 
  欧州のWi-Fiチャネルの可用性により、正方形の周波数再利用パターンが可能

多くのZigbee / IEEE 802.15.4ベースの無線データ ネットワークは 2.4～2.4835 GHz 帯域で動作するため、同じ帯域で動作する他のデバイスからの干渉を受けます。定義では、11～26 の番号が付けられた 16 のチャネルが、それぞれ 2 MHz 幅で 5 MHz 間隔で空間を占めます。チャネル 11 の F _{0 は}2.405 GHz に設定されています。DSSS 方式は、スペクトルを拡散し (データ レート 250 kbps から)、干渉を減らすために使用されます。^[7]

IEEE 802.11ネットワークからの干渉を避けるために、IEEE 802.15.4 ネットワークは、一般的に使用されているIEEE 802.11 チャネル1、6、11で使用される周波数を避け、チャネル 15、20、25、26 のみを使用するように構成できます。正確なチャネルの選択は、その地域で人気のある 802.11 チャネルによって異なります。たとえば、チャネル 1、7、13 を使用する場所では、チャネル 15、16、21、22 が優先されます。802.11 アクセス ポイントと 802.15.4 デバイスの間に 8 メートルの間隔があれば、チャネルの共存が可能です。^[7]

キーボードやマウスなどの一部のワイヤレス周辺機器は、独自のプロトコルで 2.4 GHz 帯域を使用します。

家庭用電子レンジのほとんどは、2.4GHz帯で非常に高出力の信号を発して動作します。古い機器はシールドが不十分で^[10]、2.4GHz帯全体にわたって非常に「汚れた」信号を発することがよくあります。^[a]

これにより、 Wi-Fiやビデオ^[12]の伝送にかなりの支障が生じ、信号の範囲が狭まったり、信号が完全に遮断されたりする可能性がある。

Wi-Fi 仕様を策定した IEEE 802.11 委員会は、電子レンジの干渉の可能性について広範囲にわたる調査を実施しました。一般的な電子レンジは、マグネトロンと呼ばれる自己発振真空電力管と、半波整流器 (多くの場合、電圧倍増付き) を備え、DCフィルタリング のない高電圧電源を使用しています。これにより、AC 主電源サイクルの半分 (60 Hz の国では 8.33 ミリ秒、50 Hz の国では 10 ミリ秒) の間、管が完全にオフになるため、デューティサイクルが50% 未満の RF パルス列が生成されます。

この特性により、大きなデータ フレームを電子レンジの「オフ」期間に収まるほど小さなフラグメントに分割する Wi-Fi「電子レンジ干渉耐性」モードが生まれました。

802.11 委員会はまた、電子レンジのマグネトロンの瞬間周波数は瞬間供給電圧によって各半 AC サイクルにわたって大きく変化するが、どの瞬間も比較的コヒーレントであり、狭い帯域幅のみを占有することを発見しました。^[13] 802.11a/g信号は、キャリア全体にエラー訂正情報をインターリーブしたOFDM を使用するため、このような干渉に対して本質的に堅牢です。強力な狭帯域干渉によって少数のキャリアが消去される限り、それらのキャリア内の情報は、通過したキャリアからのエラー訂正コードによって再生できます。

一部のベビーモニターは2.4 GHz 帯域を使用します。音声のみを送信するものもあれば、ビデオも提供するものもあります。

ワイヤレス マイクは送信機として動作します。一部のデジタル ワイヤレス マイクは 2.4 GHz 帯域を使用します (例: AKG モデル DPT 70)。

ワイヤレス スピーカーは受信機として動作します。送信機はプリアンプで、別のデバイスに統合されることがあります。ワイヤレス スピーカーの中には、独自のプロトコルを使用して 2.4 GHz 帯域を使用するものもあります。他のデバイスからの干渉によってドロップアウトが発生する場合があります。

ビデオ送信機は通常、FM キャリアを使用して、ビデオ信号をある部屋から別の部屋へ送信します (衛星テレビや閉回路テレビなど)。これらのデバイスは通常、連続的に動作しますが、送信電力は低い (10 mW)。ただし、一部のデバイス (特にワイヤレス カメラ) は (多くの場合、許可されていない) 高電力レベルで動作し、高利得アンテナを備えています。^[要出典]

アマチュア無線家は、送信モードにスペクトラム拡散技術が含まれていない場合、米国では2.4GHz帯（および902MHz以上のすべてのISM周波数）で、双方向のアマチュアテレビ（および音声）を最大1500ワットで送信できます。 ^{[14] [15]}地域ごとに他の電力レベルが適用されます。英国では、フルライセンスの最大電力レベルは400ワットです。^[16]他の国では、非スペクトラム拡散送信の最大電力レベルは、現地の法律によって設定されています。^{[引用が必要]}

一部のビデオカメラの送信機は 1 つの周波数に固定されているように見えますが、いくつかのモデルではカメラが実際には周波数可変であり、製品を分解してカメラ内部のはんだ付けリンクまたはDIP スイッチを動かすことで周波数を変更できることがわかっています。

これらのデバイスは、アナログ ビデオ信号の性質上、干渉が非常に起こりやすいため、他の 2.4 GHz デバイスからの干渉を受けやすくなります。「きれいな」画像を得るには、約 20 dB の搬送波対雑音比が必要です。

連続送信はこれらに干渉し、画像に「パターン」が生じ、暗くなったり明るくなったり、信号が完全にブロックされることがあります。

Wi-Fi などの非連続的な送信では、画面に水平のノイズ バーが表示され、オーディオに「ポップ音」や「クリック音」が聞こえることがあります。

ビデオ送信機は Wi-Fi ネットワークにとって大きな問題です。断続的な Wi-Fi とは異なり、ビデオ送信機は連続的に動作し、通常は帯域幅が 10 MHz しかありません。これにより、スペクトル アナライザで見ると非常に強い信号が発生し、チャネルの半分以上が完全に消失します。その結果、通常、ワイヤレス インターネット サービス プロバイダタイプの環境では、クライアント (「隠れたノード」効果によりビデオ送信機を聞くことができない) は問題なく Wi-Fi を聞くことができますが、WISP のアクセス ポイントの受信機はビデオ送信機によって完全に消失するため、非常に聞こえにくくなります。さらに、ビデオ送信機の性質上、受信機と送信機は通常非常に近くに配置されているため、キャプチャ効果が非常に高いため、ビデオ送信機は Wi-Fi によって簡単に干渉されません。また、Wi-Fi は非常に広いスペクトルを持っているため、通常、Wi-Fi のピーク電力の 30% だけが実際にビデオ送信機に影響します。Wi-Fi は連続送信ではないため、Wi-Fi 信号はビデオ送信機に断続的に干渉するだけです。これらの要因の組み合わせ、つまり、ビデオ送信機に比べて Wi-Fi の出力が低いこと、通常、ビデオ送信機は Wi-Fi 送信機よりも受信機にかなり近いという事実、および FM キャプチャ効果により、ビデオ送信機は広範囲にわたって Wi-Fi に問題を引き起こす可能性がありますが、Wi-Fi ユニットはビデオ送信機にほとんど問題を引き起こしません。^{[引用が必要]}

英国市場で販売されている多くのビデオ送信機は、100 mWの等価等方放射電力(EIRP) を宣伝しています。しかし、英国市場では 10 mW の EIRP 制限しか認められていません。これらのデバイスは過剰な電力のため、はるかに広い範囲ではるかに大きな干渉を引き起こします。さらに、英国のビデオ送信機は 20 MHz の帯域幅で動作する必要があります (20 MHz偏差と混同しないでください)。

このより広範囲に広がる強力な電力は、一部の外国から輸入されたビデオ送信機が 15 MHz 以下の帯域幅で動作し、スペクトル電力密度が高くなり、干渉が増加するため、違法であることを意味します。さらに、他のほとんどの国では、ビデオ送信機に100 mW EIRP を許可しているため、英国の多くのビデオ送信機は過剰な電力出力を持っています。^{[引用が必要]}

多くの無線制御ドローン、模型飛行機、模型ボート、おもちゃは 2.4 GHz 帯を使用しています。これらの無線システムは、無線制御車では最大 500 メートル、ドローン/飛行機では 2.5 キロメートル (1.6 マイル) 以上まで通信できます。

一部のガレージドアオープナーは 2.4 GHz 帯域を使用します。

一部の自動車メーカーは、カーアラームの内部動作センサーに 2.4 GHz 周波数を使用しています。これらのデバイスは、2.45 GHz (チャネル 8 と 9 の間) で 500 mW の強度で送信します。チャネルの重複により、Wi-Fi 接続で一般的に使用されるデフォルト チャネルであるチャネル 6 と 11 で問題が発生します。信号は連続トーンとして送信されるため、特に Wi-Fi トラフィックで問題が発生します。これは、スペクトル アナライザーで明確に確認できます。これらのデバイスは、範囲が短く、電力が高いため、通常、2.4 GHz 帯域の他のデバイスからの干渉の影響を受けません。^{[引用が必要]}

一部のレーダーは2.4 GHz 帯域を使用します。

一部の「スマート」電力メーターは2.4 GHz 帯域を使用します。^{[引用が必要]}

いくつかの新しい完全ワイヤレス電力伝送では、2.4 GHz 帯域が使用されます。^{[引用が必要]}

USB 3.0デバイスとケーブルは、適切にシールドされていない場合、2.4GHz帯にノイズを発生させる可能性があります。^[17]

通常、干渉波を見つけるのはそれほど難しくありません。スペクトル アナライザーとして機能し、ラップトップの標準USBインターフェイスを使用する製品が安価に市場に出回っています。つまり、少しの作業と指向性アンテナ、そして干渉波を見つけるために車で走り回ることで、干渉波の発生源をかなり簡単に見つけることができます。

Wi-Fi を回避できる場合は、イーサネットまたはPLC を使用することをお勧めします(ただし、電力サージには注意してください。電力サージは導電性ケーブルを通じて発生する可能性があります)。

Wi-Fi の一般的な戦略は、5 GHz および 6 GHz 帯域を、それらをサポートするデバイスにのみ使用し、この帯域が不要になった場合はアクセス ポイントの 2.4 GHz 無線をオフにすることです。

干渉の解決は、多くの場合、問題となっているデバイスのチャンネルを変更するだけで済みます。この手法は、インストール プロセスの一部と見なされます。ワイヤレス アクセス ポイントなどのシステムのチャンネルを変更できず、ビデオ送信機などによって干渉されている場合、ビデオ送信機の所有者は、使用しているチャンネルを変更できます。

もう一つの解決策は、所有者に代替製品を無料で提供することです。通常、これは有線カメラ（いずれにしてもワイヤレスカメラよりもはるかに優れた性能を持つ）、ビデオ送信機の代わりとなるケーブル、または別のチャンネルに有線接続され、問題のある周波数に戻す手段がない代替ビデオ送信機です。

さらに別の解決策としては、2.4 GHz から、その周波数に固有の干渉に対する脆弱性がない別の周波数、たとえば 802.11a/n の 5 GHz 周波数に移行することです。

独自のプロトコルを使用しているデバイスが干渉を引き起こしたり干渉を受けている場合は、別の通信方式 (独自のものまたは標準のもの) を使用する別のデバイスに置き換えると問題が解決する可能性があります。

極端な場合、つまり干渉が故意に行われたか、干渉の原因となっているデバイスを排除する試みがすべて無駄になった場合、ネットワークのパラメータを変更することが考えられます。高利得指向性アンテナを共線アンテナに変更すると、通常は非常にうまくいきます。これは、高利得アンテナからの狭いビームは干渉を物理的に「見る」ことができないためです。セクター アンテナは垂直パターンに鋭い「ヌル」を持つことが多いため、干渉の強度を監視するために接続したスペクトル アナライザを使用してセクター アンテナの傾斜角度を変更すると、干渉の原因となっているデバイスをセクターのヌル内に配置できます。送信側の高利得アンテナは干渉を「圧倒」できますが、その使用により信号の有効放射電力(ERP) が高くなりすぎる可能性があるため、その使用は違法となる場合があります。

Wi-Fi ネットワークが近隣のネットワークに及ぼす干渉は、そのネットワークに基地局を追加することで軽減できます。すべての Wi-Fi 標準規格では、チャネルの状態に応じてデータ レートを自動的に調整する機能が規定されています。つまり、リンクの状態が悪い (通常は長距離にわたる) 場合は、自動的に低速で動作します。ネットワークのカバレッジ エリア周辺、特にカバレッジが弱い、またはまったくないエリアに基地局を追加すると、ワイヤレス デバイスと最も近いアクセス ポイント間の平均距離が短縮され、平均速度が向上します。同じ量のデータを送信するのにかかる時間が短縮され、チャネルの占有が減り、近隣のネットワークのアイドル時間が増えるため、関係するすべてのネットワークのパフォーマンスが向上します。ただし、追加できる基地局の数には上限があり、それを超えると、ネットワークに悪影響を与えることになり、追加した容量は制御トラフィックによって消費されてしまいます。^[18]

単一の基地局に RF パワー アンプを追加してカバレッジを拡大するという代替策によっても、ワイヤレス ネットワークに同様の改善をもたらすことができます。線形アンプによって提供される追加電力によって、クライアント デバイスでの信号対雑音比が向上し、使用されるデータ レートが増加し、データ送信に要する時間が短縮されます。リンク品質が向上すると、パケット損失による再送信回数も減少し、チャネル占有率がさらに低下します。ただし、信号に過度のノイズが加わらないように、 線形性の高いアンプを使用するように注意する必要があります。

ワイヤレス ネットワーク内のすべてのベース ステーションは、同じ SSID (範囲内の他のすべてのネットワークに対して一意である必要があります) に設定し、同じ論理イーサネット セグメント (IP ルーターを使用せずに直接接続された 1 つ以上のハブまたはスイッチ) に接続する必要があります。ワイヤレス クライアントは、指定された SSID を持つすべてのアクセス ポイントの中から最も強いアクセス ポイントを自動的に選択し、相対的な信号強度が変化すると、アクセス ポイント間でハンドオフします。多くのハードウェアおよびソフトウェア実装では、このハンドオフにより、クライアントと新しいベース ステーションが接続を確立する間に、データ転送が短時間中断される可能性があります。VoIP などの低遅延サービス用のネットワークを設計する場合は、この潜在的な中断を考慮する必要があります。

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