Bluetoothの仕組みと周波数｜2.4GHzで通信する理由

Bluetoothイヤホンやマウスを毎日使っていても、「Bluetoothはどの周波数で通信しているの？」「Wi-Fiと同じ2.4GHzなのに、なぜ同時に使えるの？」と聞かれると、意外と説明しにくいですよね。

Bluetoothは、ただ2.4GHz帯で電波を出し続けているわけではありません。使う周波数を細かく切り替えながら、周囲の電波とぶつかりにくいように通信する仕組みを持っています。しかも、イヤホンで音楽を送るBluetooth Classic系と、センサーやスマートウォッチでよく使われるBluetooth Low Energyでは、チャネルの切り方も少し違います。

私もワイヤレスイヤホンを使っていて、急に雑音が入ったり、音が止まったりすることがあります。あるとき原因を追ってみると、家族が電子レンジを使っていました。Bluetoothが使う2.4GHz帯はWi-Fiや電子レンジなど多くの機器と同居しているため、仕組みを知ると「故障なのか、電波環境なのか」を切り分けやすくなります。

• Bluetoothが2.4GHz帯を使う理由
• BR/EDRとLEで異なるチャネル構成
• 周波数ホッピングで干渉を避ける仕組み
• Wi-Fiや電子レンジで途切れる原因と対策

Bluetoothでスマートフォンと通信するAirPods Pro

Bluetoothの仕組みを知る

まずはBluetoothを「ケーブルの代わりになる無線」と考えるところから始めると分かりやすいです。ただし、実際には電波を飛ばすだけではなく、相手機器の発見、接続、データの分割、送受信、誤りへの対応などを何層もの仕組みで行っています。

Bluetoothは近距離無線

Bluetoothは、スマートフォン、パソコン、イヤホン、マウス、キーボード、スマートウォッチ、センサーなどを近距離でつなぐための無線通信技術です。インターネット回線そのものを提供するWi-Fiや携帯電話とは役割が少し違い、身の回りの機器同士をつなぐ用途でよく使われます。

例えばBluetoothイヤホンなら、スマートフォン側で音声データを処理し、Bluetoothの無線信号として送信します。イヤホン側はその電波を受信し、データを復元して音として再生します。マウスなら逆に、ボタン操作やカーソル移動の情報をマウスからPCへ送るわけです。

Bluetoothと「無線」という言葉の関係が気になる場合は、Bluetoothと無線の違いもあわせて読むと、Wi-FiやUSBレシーバー式マウスとの違いがつかみやすいですよ。

通信は送信と受信の繰り返し

Bluetooth通信では、一方の機器がずっとしゃべり続け、もう一方が聞くだけという形ではありません。接続した機器同士が決められたタイミングで送信と受信を切り替え、必要なデータや制御情報をやり取りします。

ここで大切なのが、Bluetoothは「電波の周波数」「通信するタイミング」「相手を識別する情報」を組み合わせて通信しているという点です。同じ2.4GHz帯にたくさんのBluetooth機器がいても、全員が同じ瞬間に同じ周波数だけを使うわけではありません。

つまり、カフェで複数の人がAirPodsやマウスを使っていても、それぞれの通信が別々に成り立ちます。もちろん利用者が増えれば衝突や再送は起きやすくなりますが、そこで活躍するのが後ほど説明する周波数ホッピングです。

ClassicとLEは役割が違う

Bluetoothには大きく分けて、従来から使われてきたBR/EDRと、Bluetooth Low Energyがあります。一般にはBR/EDR側をBluetooth Classicと呼ぶことが多いです。

両方とも2.4GHz帯を使いますが、電波の使い方は同じではありません。特にLEは省電力を意識した設計で、必要なときだけ短時間通信する用途に向いています。LE Audioのように音声を扱う仕組みも登場しているため、「イヤホンなら必ずClassic」とは言い切れなくなってきました。

Bluetoothが身近に使われている例の一つがスマートウォッチ

Bluetoothの周波数は2.4GHz

Bluetoothの周波数をひと言で言うと、2.4GHz帯です。より正確には、Bluetoothの無線部分は2.4GHz ISM帯を利用します。ここから先は、BR/EDRとLEでチャネルの区切り方を分けて見ていきましょう。

使う帯域は2400MHz台

Bluetoothの仕様では、2.4GHz ISM帯の2400MHzから2483.5MHzが対象となり、実際のRFチャネル中心周波数は2402MHzから2480MHzに配置されています。2.4GHzという言い方は、この周波数範囲をざっくり表したものです。

2.4GHzは1秒間に約24億回振動する電磁波の領域。数字だけ見ると途方もないですが、無線回路ではごく身近な周波数です。Wi-Fiの2.4GHz帯、Bluetooth、電子レンジなど、家庭の中だけでも同じ周辺周波数を使うものがいくつもあります。

BR/EDRは79チャネル

Bluetooth BR/EDRでは、2402MHzから2480MHzまでを1MHz間隔の79チャネルに分けて使います。中心周波数は2402MHz、2403MHz、2404MHz……と1MHzずつ移動していくイメージです。

接続中の基本的な周波数ホッピングは標準で1秒あたり1600回。時間で言えば625マイクロ秒を基準に動くため、人が「今の周波数はここ」と追いかけるにはかなり速い世界です。無線回路設計の視点で見ると、Bluetoothらしさが一番分かりやすく表れる部分かなと思います。

ただし、常に79チャネルを均等に使い続けるわけではありません。周囲に干渉源がある場合は、利用しにくいチャネルをホッピングの対象から外す仕組みがあります。これがAdaptive Frequency Hopping、略してAFHです。

LEは40チャネル

Bluetooth Low Energyでは、2402MHzから2480MHzまでを2MHz間隔の40チャネルとして扱います。そのうち3チャネルは主に機器の発見や接続開始に使うプライマリアドバタイジングチャネルで、残る37チャネルは接続後のデータ通信などに使われます。

ここがClassic系との大きな違いです。「Bluetoothは79チャネル」と説明されることがありますが、それはBR/EDR側の話。現在のBluetoothを理解するなら、BR/EDRは79チャネル、LEは40チャネルと分けて覚えてください。

LE側も接続中は37の汎用チャネルを切り替えながら通信し、利用しにくいチャネルを避けるためのチャネルマップを使います。Bluetoothは1本の周波数へ居座るのではなく、その場の電波環境に合わせながら通信を続けるわけです。

なぜ2.4GHzを使うのか

では、なぜBluetoothは2.4GHzなのでしょうか。大きな理由は、2.4GHz ISM帯が多くの国や地域で免許不要の無線機器に利用しやすく、世界中で使う製品へ載せやすい帯域だからです。スマートフォンとイヤホンを国ごとにまったく違う無線方式へ作り分けるより、共通の周波数帯を使えるメリットは大きいですよね。

また、2.4GHzはアンテナを小さく作りやすい周波数でもあります。自由空間での波長はおよそ12cmなので、4分の1波長なら約3cm。実際のスマートフォンやイヤホンでは基板形状、誘電体、筐体、人体の影響を受けるため単純な3cmの棒にはなりませんが、小型機器へ組み込みやすいサイズ感です。

一方で、使いやすい周波数だからこそ混みます。ここはBluetoothの宿命とも言えるところ。Wi-Fi、電子レンジ、独自方式の2.4GHz無線などと同じ場所を共有するため、干渉を前提にした仕組みが必要になります。

周波数を切り替えて通信する

Bluetoothの仕組みで特に知っておきたいのが周波数ホッピングです。名前は難しそうですが、イメージは「混んでいる道路を1本だけ走るのではなく、使える道へ次々に移りながら進む」に近いですよ。

周波数ホッピングとは

周波数ホッピングは、通信中に使う周波数チャネルを次々と切り替える方式です。Bluetooth BR/EDRでは79チャネル、Bluetooth LEでは接続時に主に37の汎用チャネルを使い、決められた手順に従って周波数を移動します。

仮に特定の周波数でWi-Fiの信号と重なり、一つのパケットをうまく受信できなかったとしても、Bluetoothは次の通信機会で別の周波数を使えます。もちろん再送が増えれば遅延や音切れにつながる可能性はありますが、1本の固定周波数だけで通信するより干渉の影響を分散しやすくなります。

AFHで使いにくい帯域を避ける

周波数をランダムっぽく切り替えるだけでは、いつも同じ場所で干渉を受けてしまうかもしれません。そこでBluetoothでは、チャネルの状態を見ながら利用するチャネルを変えるAdaptive Frequency Hoppingが使われます。

BR/EDRでは、干渉がある周波数をホッピング対象から外すことで、他の2.4GHz機器との共存性を高めます。LEでも汎用チャネルについて、利用するチャネルと利用しないチャネルをチャネルマップで管理します。現行仕様では、LEの汎用チャネルにおけるAFH対応は必須です。

ここで勘違いしやすいのが、「AFHがあるなら絶対に途切れない」という考え方。2.4GHz帯全体が混雑していたり、受信レベルが十分でなかったり、人体や金属で通信経路が遮られたりすると、避けられる場所そのものが減ってしまいます。

多数の機器が共存できる理由

Bluetooth機器が密集した場所でもある程度通信できるのは、周波数ホッピングだけのおかげではありません。パケットを短い時間で送ること、接続ごとに通信タイミングを管理すること、受信できなかったデータを再送することなど、複数の仕組みが組み合わさっています。

同じチャネルを同じ瞬間に使ってしまえば衝突は起こり得ます。しかし、その衝突が通信全体を即座に壊すわけではありません。次の周波数、次の送信機会へ進み、必要なら再送する。こうした積み重ねで実用的な通信を成立させています。

なので、Bluetoothは「混線しない技術」ではなく、混雑や衝突が起きる前提で、それをやり過ごしながら通信する技術と考える方が分かりやすいです。

2.4GHz帯では干渉が起きる

Bluetoothが不安定になる原因を考えるときは、故障だけでなく周辺の電波環境も見てください。特に2.4GHz Wi-Fi、電子レンジ、一部のUSB 3.x機器やケーブルは、切り分け候補になります。

2.4GHz Wi-Fiと重なる

Wi-Fiの2.4GHz帯もBluetoothと同じ周波数帯を使います。ただし、Wi-Fiは一般的にBluetoothの1チャネルより幅のある信号を使うため、Bluetoothから見ると複数のチャネルにまたがる大きな利用者が近くにいるような状態になります。

Bluetooth側は周波数を移動して避けようとしますが、周囲に2.4GHz Wi-Fiのアクセスポイントや端末が多いと、利用できる場所が減っていきます。マンションやオフィスのように近隣のWi-Fiが多数見える場所では、自宅のルーターだけを見ても原因が分からないことがあります。

イヤホンのブツブツ音や音飛びについては、Bluetoothのノイズ対策と音飛びの原因で具体的な切り分け方も解説しています。

電子レンジで音が途切れる

電子レンジは食品を加熱するために2.45GHz付近の電磁波を使います。本体は電波が外へ漏れにくいよう設計されていますが、Bluetoothから見ると同じ2.4GHz帯のすぐ近くに大きなノイズ源が動作する状況になり得ます。

私の家でも、ワイヤレスイヤホンを使っている最中に突然雑音が入り、音が止まることがありました。何度か状況を見ていくと、家族が電子レンジを使っているタイミングと重なっていたんです。これならイヤホンを初期化しても根本原因は消えません。

電子レンジの影響は、機種、距離、部屋の配置、Bluetooth機器の受信状態などで変わります。電子レンジ使用中だけ症状が出るなら、スマートフォンやPC、Bluetooth受信機をレンジから離して変化を見るのが手早いです。詳しい対策はBluetoothと電子レンジの干渉対策でも紹介しています。

USB 3.xもノイズ源になる

意外と見落としやすいのがUSB 3.x周辺です。Intelも、特定のUSB 3.0機器やケーブルから生じる高周波ノイズが2.4GHz帯の無線機器へ影響する可能性について技術資料を公開しています。

だからといって、USB 3.xを使えば必ずBluetoothが途切れるわけではありません。問題になりやすいのは、USB 3.x機器やケーブルとBluetoothのアンテナが物理的に近く、しかも受信側に十分な余裕がない場合です。

例えばデスクトップPCの背面で、USB Bluetoothアダプタのすぐ隣へ外付けSSDやUSBハブを接続しているケース。症状が出るなら、延長ケーブルでBluetoothアダプタを離す、USB機器のポートを変える、ケーブルの取り回しを変えるといった方法を試す価値があります。

Bluetoothアンテナの役割

Bluetoothアンテナは外から見えないことが多いため、つい存在を忘れがちです。でも、同じBluetoothバージョンの機器でも通信の安定性や届き方が違う理由の一つがアンテナ設計です。

小型機器ではアンテナを内蔵

スマートフォン、完全ワイヤレスイヤホン、スマートウォッチでは、Bluetoothアンテナは筐体内部に組み込まれているのが一般的です。基板上のパターンアンテナ、逆F型アンテナ、チップアンテナなど、製品サイズや周囲の部品配置に合わせた方式が使われます。

アンテナは「金属片があれば電波が出る」という単純な部品ではありません。アンテナの長さや形、基板のGND、周囲の金属、樹脂筐体、バッテリー、人体まで含めて特性が変わります。そのため、設計ではアンテナ単体だけでなく、実際の製品状態で2.4GHz帯の特性を合わせ込んでいきます。

私が無線回路を見るときも、アンテナの近くに金属や配線を置かない、給電点周辺を意図した形にする、整合回路を調整できるようにしておく、といった点はかなり気にします。小さな筐体ほど自由度が少なく、アンテナ周辺の数mmが効いてくる世界です。

向きと人体で届き方が変わる

Bluetoothの通信距離は、送信電力だけで決まりません。アンテナの向き、受信感度、端末同士の位置、壁や床、家具、人体などが重なって決まります。

特に2.4GHz帯では、人体の影響を無視できません。スマートフォンをズボンの後ろポケットへ入れたときだけイヤホンが途切れる、左右どちらのポケットへ入れるかで差が出る、といった現象は珍しくないです。スマホとイヤホンのアンテナの間に体が入ることで、受信側へ届く電波が減ることがあります。

Bluetoothの届く距離そのものを詳しく知りたい場合は、Bluetoothの距離は何mまで届くのかで、送信電力、アンテナ、障害物、実測結果を含めて解説しています。

外部アンテナ付き製品もある

デスクトップPC向けのBluetoothアダプタやWi-Fi・Bluetooth一体型カードには、外部アンテナを使う製品もあります。PC本体が金属ケースで囲まれている場合、アンテナを机の上へ出せるだけでも設置条件はかなり変わります。

購入時に見るなら、Bluetoothのバージョン番号だけではなく、アンテナの有無、アンテナを動かせるか、USB延長で位置を変えられるか、対応OS、メーカーの対応距離などを確認したいところです。長距離をうたう製品でも、接続相手側のアンテナや送信電力がボトルネックになれば期待した距離が出ないことがあります。

途切れるときの対策

Bluetoothの仕組みが分かると、対策の順番も見えてきます。いきなり高価な機器へ買い替えるより、まず「受信レベルを下げる要因」と「2.4GHz帯を混ませる要因」を減らす方が切り分けやすいです。

まず距離と遮蔽物を確認

最初に、スマートフォンやPCとBluetooth機器を1〜2m程度まで近づけ、できるだけ見通しの良い状態で症状が再現するか確認してください。近距離なら安定するのであれば、機器故障よりも距離、人体、壁、家具などの影響を疑いやすくなります。

次に、端末の置き場所を少しずつ変えます。机の下にあるPCなら机の上へ、スマホをカバンの奥へ入れているなら外側のポケットへ。Bluetoothは数十cmの位置変更で受信状態が変わることもあるので、買い替え前に試しておきたい方法です。

Wi-Fiを5GHzへ移す

自宅のWi-Fiが2.4GHz帯に集中しているなら、対応機器を5GHz帯や6GHz帯へ移すと、2.4GHz帯の利用量を減らせます。Bluetooth自体の周波数は5GHzへ変更できませんが、同じ場所を使うWi-Fi側を別の帯域へ逃がす考え方です。

ただし、5GHzや6GHzはルーターや端末が対応している必要があります。また、壁や距離による届き方も2.4GHzとは異なります。Wi-Fi側の使い勝手まで確認しながら変更してください。

USB機器から距離を取る

PC周辺だけでBluetoothが不安定になるなら、USB 3.x機器との位置関係も試してみましょう。外付けSSD、USBハブ、USBメモリ、ケーブルなどを一時的に外して症状が変わるかを見ると、原因を絞りやすいです。

変化があれば、USB BluetoothアダプタとUSB 3.x機器の距離を取ります。前面ポートと背面ポートに分ける、短いUSB延長ケーブルを使う、アダプタを机の上へ出すなど、数百円程度の工夫で改善するケースもあります。

アダプタの位置を変える

USB Bluetoothアダプタは小さいので、PC背面へ挿したままにしがちです。しかし、その場所は金属ケース、壁、机、電源ケーブル、USB 3.x機器などが集まりやすい場所でもあります。

外部アンテナ付き製品へ交換する前に、まず延長ケーブルでアダプタを机の上へ出してみてください。これで安定するなら、問題はBluetoothのバージョンより設置場所だった可能性が高いです。

Bluetoothの疑問を解決

最後に、Bluetoothの仕組みや周波数、アンテナについてよく出る疑問へまとめて答えます。ここまで読んだ内容の確認にも使ってください。

Bluetoothの仕組みFAQ

Bluetoothの仕組みまとめ

Bluetoothは、2.4GHz帯の中で周波数を切り替えながら通信する近距離無線技術です。BR/EDRは79チャネル、Bluetooth LEは40チャネルを使い、接続中は周囲の電波状況を考慮しながら利用するチャネルを選びます。

だから、Bluetoothイヤホンの音が突然途切れたときも、すぐ故障と決めつける必要はありません。2.4GHz Wi-Fi、電子レンジ、USB 3.x周辺ノイズ、人体や壁、アンテナの向きなどが原因になることがあります。

• Bluetoothは2.4GHz ISM帯を利用する
• BR/EDRは79チャネル、LEは40チャネル
• 周波数ホッピングとAFHで干渉の影響を減らす
• Wi-Fiや電子レンジとは周波数帯が重なる
• USB 3.x機器やケーブルが影響する場合もある
• Bluetoothアンテナの位置や向きも通信品質に関係する
• 不調時は距離、遮蔽物、干渉源、設置場所の順に確認する

Bluetoothの仕組みを知ると、「つながる・つながらない」を運任せに見なくて済むようになります。あなたのイヤホンがキッチンだけで途切れるなら、そこには周波数の理由があるかもしれません。まずは機器を少し動かし、周囲の2.4GHz機器を一つずつ見直してみてください。