なぜ RF 共存は実際の問題なのか
Wi-Fi または Zigbee を搭載した製品に Bluetooth モジュール を組み込む場合、干渉は理論上の懸念ではなく、エンジニアリング上の締め切りです。3 つの技術はすべて 2.4 GHz ISM 帯域を共有しています。物理層での調整ができないため、パケット衝突によりスループットが低下し、レイテンシが増加し、電力バジェットを超えて消費電力が増大します。
2.4 GHz スペクトル：3 つのプロトコルの周波数配置
| プロトコル | 周波数範囲 | チャネル構造 | チャネル幅 | デューティサイクル |
|---|---|---|---|---|
| BLE (BT 5.x) | 2402–2480 MHz | 40 チャネル（広告 3、データ 37） | 2 MHz | 0.1–5%（広告）、最大 100%（接続） |
| Wi-Fi (802.11n/ac) | 2412–2484 MHz | 14 チャネル（非重複 3: 1、6、11） | 22 MHz (HT20) | 20–80%（負荷時） |
| Zigbee (802.15.4) | 2405–2480 MHz | 16 チャネル（11–26） | 2 MHz | 1–10% |
ハードウェアレベルの共存：3 つのアーキテクチャ
共存は、シリコンレベル、ファームウェアレベル、またはその両方で処理できます。最新のコンボチップはほとんどが最初の 2 つのオプションをサポートしています。
1. 時分割共存（TDC）
最もシンプルなアプローチ：BLE と Wi-Fi は共有信号ラインを使用してアンテナへのアクセスを調停します。Nordic nRF52840 と Espressif ESP32 はどちらも PTA（パケットトラフィックアービトレーション）ペリフェラルを通じてこれをサポートしています。
2. アダプティブ周波数ホッピング（AFH）
BLE ホストスタックは LE Set Host Channel Classification コマンドを通じて使用するデータチャネルを制御できます。干渉測定に基づいて「不良」チャネルをマークし、コントローラーが接続イベントでそれらのチャネルを避けます。
3. 周波数スペクトル分離
Wi-Fi をチャネル 1（2412 MHz）にシフトし、BLE 広告チャネル 37 と 38（2402 MHz、2426 MHz）を避けるよう設定します。BLE 広告チャネル 39（2480 MHz）は Wi-Fi チャネル 1 の 22 MHz 帯域外に留まります。
影響の定量化：共存のコスト
| シナリオ | BLE 広告成功率 | BLE 接続スループット | Wi-Fi UDP スループット |
|---|---|---|---|
| BLE のみ | ~99% | ~450 kbps (2M PHY) | N/A |
| Wi-Fi のみ | N/A | N/A | ~50 Mbps (HT20) |
| 共存なし（両方アクティブ） | 55–70% | ~180 kbps | ~30 Mbps |
| 3 線式 PTA 有効 | 85–92% | ~350 kbps | ~42 Mbps |
| 周波数分離（CH1 Wi-Fi） | 94–97% | ~420 kbps | ~44 Mbps |
実践的な設定：nRF52840 + ESP32 共存
nRF52840 BLE モジュールと ESP32 を Wi-Fi と組み合わせた製品には次の設定を推奨します。nRF52840 の GPIO P0.20（BLE_COEX_REQUEST）を ESP32 の GPIO 14 に接続し、ESP32 側で sdkconfig に CONFIG_ESP_COEX_SW_COEXIST_ENABLE=y を設定します。BLE 接続イベントが保留中のときは esp_coex_preference_set(ESP_COEX_PREFER_BT) を使用し、アイドル期間中は ESP_COEX_PREFER_WIFI に切り替えます。
アンテナ設計の考慮事項
デュアルラジオ設計では、BLE と Wi-Fi アンテナ間で少なくとも 20 dB のアイソレーションを確保する必要があります。コンパクトな PCB では、アンテナ素子間に 10–15 mm のグランドプレーン分離が必要です。
共存テストプロトコル
出荷前に次のシナリオを順番に検証します：iperf3 で Wi-Fi 帯域を飽和させた状態での BLE 広告のストレステスト（目標 >85%）、Wi-Fi ファイル転送中の BLE スループット測定（目標 <5% PER）、通常の Wi-Fi 動作中の OTA 更新（目標 <3× ベースライン時間）、近隣ネットワークストレステスト。
Bluetooth モジュール の RF 共存を正しく設定し、現実的な干渉シナリオに対してテストすることが、接続を維持する製品とサポートチケットを生む製品の差を生み出します。