Bluetooth 干渉の原因とは

Bluetooth^® 干渉とは、Bluetooth 信号が同じ 2.4 GHz のアンライセンス帯域で別の信号に干渉される状態、またはその帯域で別の信号と干渉する状態のことです。これは、Bluetooth の非協調的共存とも呼ばれ、あるデバイスが Bluetooth 信号を送信し、別のデバイスが WLAN、ZigBee^®、またはその他の 2.4 GHz 信号を送信します。

MATLAB^® を使用すると、全体的な無線リンクとネットワーク性能への Bluetooth 干渉の影響を評価できます。

Bluetooth 干渉低減のメカニズム

適応型周波数ホッピング (AFH) は、Bluetooth 干渉の影響を減らすことができる方法のひとつです。他には以下の方法があります。

適応型干渉抑制 - この方法では、WLAN 受信機が適応型フィルターを使用して、Bluetooth 干渉を推定および解消します。
適応型パケット選択とスケジューリング - この方法では、現在のチャネル条件に適応するパケット長とエラー保護スキームを選択します。また、WLAN 信号の帯域幅外でのホップ中に発生するパケット伝送をスケジューリングします。

Bluetooth 干渉の低減方法に関する詳細については、Bluetooth と WLAN の共存をご覧ください。

MATLAB による Bluetooth 干渉のモデル化

すべての Bluetooth システムでは、周波数ホッピングを使用して比較的狭い帯域の信号 (1 ～ 2 MHz) をより広い帯域幅に拡散させることにより、Bluetooth 干渉への耐性を高めています。Bluetooth Toolbox を使用すると、Bluetooth 干渉を低減するメカニズムと併用して、これらの Bluetooth 干渉シナリオをモデル化できます。たとえば、この Bluetooth/WLAN PHY の例では、Bluetooth が AFH を使用して、物理層リンクのビットエラーレート (BER) とパケットエラーレート (PER) の性能を、基本周波数ホッピングと比べて大幅に向上させる方法について説明しています。AFH はデバイス固有のセンシング技術を使用しており、これにより、ホップされた各周波数に対し Bluetooth セントラルノードは、Bluetooth 干渉が存在するかどうかを定期的に判断します。次に、セントラルノードは、チャネルが良好か不良かを分類する"チャネルマップ"を更新し、ペリフェラルノードにその情報を伝達します。このホッピングパターンにより、次のチャネル分類イベントまでの将来のホッピングサイクルにおいて、不良周波数に起因する Bluetooth 干渉を回避します。

次の図は、作動中の AFH のスペクトログラムを示しています。最初の図は、非適応型周波数ホッピングによる Bluetooth 干渉を示しています。各スペクトログラムにおけるオレンジと黄色の広帯域信号は 20 MHz WLAN 信号であり、散らばっている狭帯域信号は周波数がホップした Bluetooth 波形です。最初の図には、WLAN 帯域に Bluetooth パケットが多く見られ、Bluetooth 干渉が発生しています。2 番目の図は AFH の結果を示したもので、広帯域の WLAN 信号に Bluetooth 信号がほとんど含まれておらず、Bluetooth 干渉が低減されています。

AFH を使用した Bluetooth 信号の MATLAB で生成したスペクトログラムでは、AFH を使用しない信号に比べて干渉レベルが大幅に低減されていることが示されています。

AFH を使用した場合と使用しない場合の WLAN および Bluetooth 信号を示す、MATLAB で生成したスペクトログラム。

AFH を使用すると Bluetooth 干渉が大幅に減少し、ビットエラーレート (BER) が低下します。

Bluetooth 干渉下でリンクレベルの統計を計算することは重要ですが、ネットワークレベルの性能を判断することはさらに重要です。こちらの例では、セントラルノードでチャネル分類プロセスをスケジューリングしてから、各分類イベント後にネットワークのスループットを計算することで、前述の例を拡張しています。次の図は、AFH とそれに対応した Bluetooth 干渉の削減によるスループットの向上を示しています。

MATLAB で生成した時間対スループットの棒グラフでは、AFH を使用したネットワークスループットの向上が示されています。

AFH を使用した Bluetooth ネットワークにおける、MATLAB で生成したパケット損失率 (上) および総スループット (下) のグラフ。

こちらの例では、3 つの異なるネットワークタイプの Bluetooth 干渉に対処しています。Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (BR/EDR)、Bluetooth Low Energy (LE)、WLAN です。この例では、Bluetooth 干渉が各ネットワークに及ぼす影響を検証しています。次の図は、3 つのネットワークの物理構成を示しています。

この WLAN、Bluetooth LE、Bluetooth BR/EDR ネットワークの図は、各ネットワークが他の両方のネットワークと干渉する可能性があることを示しています。

BluetoothBR/EDR、BluetoothLE、WLAN ネットワークの物理構成。

次のプロットは、3 つのネットワークのネットワークレベルの性能を示しています。Bluetooth BR/EDR ノードと LE ノードは、Bluetooth 干渉と WLAN 干渉により、スループットが非常に低くなります。WLAN ノードは、主に Bluetooth 信号より WLAN 信号のデータレートが高いことから、より高いスループットを実現します。それでも、WLAN ノードでは Bluetooth 干渉のために 0.2 を上回る大きなパケット損失率が発生します。

MATLAB で生成した性能チャートは、Bluetooth ノードが干渉のために非常に低いデータレートになっていることを示しています。

MATLAB で生成した Bluetooth ノードの性能チャートは、低いスループット、パケット損失、レイテンシを示しています。

Bluetooth 干渉のために WLAN のパケット損失率が高いことを示す図。

Bluetooth 干渉および WLAN 干渉下での WLAN ノードの性能。

Bluetooth 干渉の対策が重要な理由

Bluetooth デバイスは年々、至るところで利用されるようになってきています。ラップトップ、スマートフォン、スマート照明、オーディオスピーカー、タブレットは、Bluetooth 信号を送受信するデバイスの一部に過ぎません。さらに、これらの同じデバイスの多くは、Wi-Fi^® (つまり、WLAN) 信号でも同じことを行います。非常に多くのデバイスが近接しているため、Bluetooth 干渉が大きな問題になる場合があります。通常、Bluetooth デバイスは、WLAN よりも低電力で送信を行うため、この Bluetooth 干渉の発生元ではなく、被害を受ける側になります。この Bluetooth 干渉は、通信範囲を狭めたり、信号の脱落を発生させるため、Bluetooth の性能を低下させる場合があります。

たとえば、病院の医療機器は通常、Bluetooth や WLAN、またはその両方を使用して、信号を無線で送受信しています。Bluetooth 干渉が深刻な場合、リンクの品質が損なわれ、患者の健康に脅威が及ぶ可能性があります。

公共の空間で接続ソリューションを設計するサービスプロバイダーにとって、ハードウェアを展開する前にこの Bluetooth 干渉のモデル化とシミュレーションを行うことは、展開を成功させるうえで極めて重要となります。