急速に進化するモノのインターネット (IoT) の世界では、Wi-Fi 周波数帯域の選択は単なる技術的な詳細ではありません。これは、ネットワークのパフォーマンス、信頼性、遅延、通信範囲、消費電力に直接影響する戦略的な決定です。 Wi-Fi は現在、2.4GHz、5GHz、および新しく導入された 6GHz 帯域 (Wi-Fi 6E 経由) で動作しているため、堅牢な IoT システムを設計するには、それぞれの長所とトレードオフを理解することが不可欠です。
シングルバンド接続からデュアルバンド接続への移行
初期のIoTデバイスの多くは、Wi-Fi 4を中心に構築され、2.4GHz帯域のみに依存していました。 この帯域は広いカバレッジと壁を通る優れた透過性を提供しますが、チャネルの可用性が限られているため、混雑や干渉に悩まされます。 今日、2.4GHzと5GHzの両方での動作を可能にするデュアルバンドサポートは、最新のIoTエコシステムの基本的な設計原則です。
デュアルバンド接続により、デバイスは通信距離、帯域幅、電力制約に基づいて最適な周波数帯をインテリジェントに選択し、多様な導入シナリオにおいて堅牢なカバレッジ、効率的なスペクトル利用、および共存を実現します。 IoT ネットワークは、両方の周波数帯域の補完的な強みを活用することで、進化するデジタル環境において大規模でミッションクリティカルな接続を維持するために必要な到達範囲、信頼性、応答性のバランスを実現できます。
5GHz動作の実際のメリット
5GHzの実用的な利点を実証するために、スマートビルディングWi-Fi環境をシミュレートしました。 複数のネットワークが同時に動作し、2 つの帯域間の顕著な違いが明らかになりました。
- 2.4GHz帯域: 3つのプライマリチャネルに制限されているため、混雑や干渉が発生します。
- 5GHz帯域: 11 以上のチャネルを提供し、干渉を大幅に低減し、より高いデータ レートを可能にします。
このクリーンなスペクトルは、特に多くの接続デバイスがある環境において、スループットの高速化、遅延の短縮、消費電力の低減、接続の信頼性の向上など、具体的なユーザーメリットにつながります。
パフォーマンス テスト: スループット、遅延、消費電力
一連のテストは、固定距離に配置されたテスト対象デバイス (DUT) に接続されたアクセス ポイントを使用して、典型的な混雑環境で実施されました。 測定は 2.4GHz 帯域と 5GHz 帯域の両方で行われました。
測定セットアップ
EK-RA6W1 評価キット (DUT) は、ソフト AP として構成された Android スマートフォンに Wi-Fi 経由で接続され、2 つのデバイス間のワイヤレス データ通信可能になりました。
テストは、複数のアクティブな Wi-Fi ネットワークと同じ周波数帯域で動作する電子機器を備えたオープン オフィス スペースで実施されました。 目標は、実環境の条件下でのデバイスのパフォーマンスを分析することでした。
測定された環境のスペクトル
Wi-Fi アナライザー アプリケーションを使用して、説明されている環境に存在する周波数スペクトルを調べました。
図 3 に示すように、2.4GHz スペクトルはネットワークが重複しているため非常に混雑しているように見え、遅延が長くなり、パフォーマンスが低下する可能性があります。
対照的に、図 4 は、5GHz スペクトルがチャネル間でより均等に分散され、干渉が減少し、接続性が向上したことを示しています。
スループット
2.4GHz帯域と5GHz帯域はどちらも同じ20MHzチャネル帯域幅を使用してテストされましたが、5GHz帯域は一貫して大幅に高いスループットを実現しました。 このパフォーマンスの向上は、主に 5GHz 帯域で利用可能なよりクリーンで混雑の少ないスペクトルに起因しています。
- 再送信の削減: 2.4GHz帯では、限られたチャネル利用可能性と高いデバイス密度が干渉やパケット衝突を引き起こすことが多くなります。
- 利用可能なチャンネルの増加: 5GHz帯では、干渉しないチャンネルの選択肢がより豊富です。
- 干渉の低減:Bluetooth、Zigbee、電子レンジなどの他のテクノロジーとの重複が少ないため、5GHz 帯域では環境ノイズが少なくなります。
- 効率的なスペクトル利用: 5GHz で動作するデバイスは、マルチユーザー多入力多出力 (MU-MIMO) や直交周波数分割多元接続 (OFDMA) などの高度な Wi-Fi 6 機能を利用できます。
実環境では、特に多くの接続デバイスがある環境において、より高速なダウンロード、よりスムーズなストリーミング、より応答性の高い IoT アプリケーションを意味します。 これは、図5と図6に示されているUDPの測定値からはっきりとわかります。
遅延
パフォーマンス テストでは、5GHz 帯域では 2.4GHz と比較して ping ラウンドトリップ時間が 2.5 倍短縮されました。 この大幅な遅延改善は、いくつかの主要な要因によって実現されています、管理フレームの高速伝送による空中時間使用量の削減、干渉低減による再送信回数の減少と通信の円滑化、カバー範囲の縮小によるクライアント競合の低減、OFDMAやMU-MIMOといった先進的なMAC/PHY機能による複数デバイスの同時かつ効率的な伝送。
消費電力
IoT デバイスは、クラウド接続を維持しながらエネルギーを節約するように設計されています。 接続を維持するために、これらのデバイスはネットワーク ビーコンを継続的に監視し、その存在と通信の準備ができていることを確認する定期的なキープアライブ信号を送信します。 この点において5GHz帯は明確な利点を提供します。ビーコンやその他の管理フレームの伝送速度が向上し、干渉が低減されるため、デバイスはアクティブなセッションをより迅速に完了でき、より長い低電力スリープ期間を実現できます。 これにより、図6に示すように、2.4GHzの消費電流は平均40mAであるのに対し、5GHzの消費電流は平均34mAです。
デュアルバンドのサポート: パフォーマンスとカバレッジのバランス
5GHz帯はデータスループット性能、信号の完全性、低消費電力において優れている一方、波長が短いため通信距離と壁の透過性が制限されます。 対照的に、優れた伝搬特性を備えた 2.4GHz 帯域は、スループット性能と高消費電力に制限があるスマート メーターや環境センサーなどの長距離アプリケーションに最適です。
両方の帯域をサポートすることで、最新のIoT展開の多様な要件を満たすために必要な柔軟性が得られ、スループット、カバレッジ、エネルギー効率のバランスが取れます。
ルネサスRA6W1:最新のIoT向けのデュアルバンドソリューション
ルネサスは、継続的な接続性を実現するために設計された超低消費電力デュアルバンドWi-Fi 6 MCU RA6W1 を発表し、先進的なIoTアーキテクチャ向けMCU製品ポートフォリオを拡充しました。
RA6W1 は Wi-Fi 6 機能を統合し、以下を実現します。
- 2.4GHz帯域により、干渉の激しい環境でもカバレッジが拡大し、堅牢な接続性を実現。
- 5GHz帯域により、高いデータスループット、遅延の短縮、電力効率の最適化を実現します。
この MCU は、チャネルを効率的に利用するための OFDMA や、バッテリー駆動デバイスのエネルギー節約のためのターゲット ウェイク タイム (TWT) などの Wi-Fi 6 拡張機能を活用しています。 高度なRF性能とデュアルバンドの柔軟性を兼ね備えたRA6W1は、スマートホームエコシステムから産業オートメーション、ミッションクリティカルシステムに至るまで、多様なIoTアプリケーションにおいて、確定的で低遅延な通信を保証します。
詳細な仕様と設計リソースについては、 RA6W1 製品ページをご覧ください。拡張性、耐障害性、将来を見据えたIoT展開向けに設計されたルネサスのデュアルバンドWi-Fi 6ソリューションの包括的なポートフォリオをご確認ください。
