今回は、XBeeで利用可能なファームウェア規格の一つであるZigbeeに焦点を当てます。その中でも、通信の安定性を支えるキー技術であるFrequency Agility（周波数機敏性）についてご紹介します。
IoTデバイスが普及した現代、2.4GHz帯はWi-FiやBluetooth、さらには電子レンジのノイズなどが入り乱れる電波の過密地帯となっています。このような過酷な環境において、なぜZigbeeは低消費電力かつ安定した通信を維持できるのでしょうか。
その答えが、今回解説するFrequency Agilityにあります。本記事では、この技術が登場した歴史的背景から、具体的な技術メカニズムまでを詳しく紐解いていきます。
以下の図は、本文章を基にNotebookLMで生成した画像です。
1. 歴史的背景
Zigbeeの根幹であるIEEE 802.15.4規格が誕生した2000年代初頭、無線通信の世界は大きな転換期にありました。
免許不要帯（ISMバンド）が開放され、2.4GHz帯が世界中で自由に使えるようになり、Wi-Fi（802.11b/g）が爆発的に普及しました。
Zigbeeは省電力を最優先するため、Wi-Fiに比べて送信出力が非常に小さく設計されています。Wi-Fiという強力な電波が飛び交う中で、Zigbeeという微弱電波を伝送するには、物理的な衝突を避ける知恵が必要でした。
初期のZigbee（2004仕様）では、一度チャネルを決めると固定される運用が主流でしたが、実際の現場では設置時にはノイズが無いチャネルが、時間経過により後から導入されたWi-Fiルーターにより影響を受けるという問題が多発しました。これに対処するため、Zigbee 2007 (Zigbee Pro)プロトコルスタックにおいて、動的にチャネルを切り替えるFrequency Agilityが本格的に標準化されたのです。
2. 技術的メカニズム
Frequency Agilityは、単にノイズが無いチャネルを探すだけではなく、ネットワーク全体が協調し、以下のプロセスで運用されます。
①エネルギー検出（ED）スキャン
Zigbeeデバイスは、定期的に現在使用中のチャネルのノイズレベル（RSSI）を測定します。もし、パケットエラー率（PER）が一定のしきい値を超えると、ネットワークは干渉の発生を感知します。
②チャネルマネージャーの役割
通常、ネットワークコーディネーター（親機）がチャネルマネージャーとして機能します。通信障害を検知したルーターやエンドデバイスからの報告を収集し、ネットワーク全体を移動させるべき新たなチャネルを探します。
③ ネットワーク一斉遷移
新しいチャネルが決定されると、コーディネーターは現在のチャネルでNetwork Updateコマンドをブロードキャストします。これを受けた全デバイスは、指定された時間に一斉に新しいチャネルへジャンプします。
（技術的なポイント）
Zigbeeは2.4GHz帯を16のチャネル（5MHz間隔）に分割しています。Wi-Fiのチャネル幅（約20-22MHz）に対して、Zigbeeは非常にスリムなため、Wi-Fiの隙間に潜り込むことが可能です。
3. 数学的・物理的な意味
Zigbeeが採用しているDSSS（直接拡散スペクトラム拡散）方式と、周波数機敏性を組み合わせることで、通信の堅牢性は飛躍的に高まります。
1948年にクロード・シャノンは通信の限界を定義する革命的な論文を発表しました。その中で示されたのが、ある通信路でエラーなく送信できる情報の最大速度（通信容量）を示す以下の数式です。
各変数の意味は以下の通りです。
C(Capacity)：通信容量 [bps: bit per second]
B(Bandwidth)：周波数帯域幅 [Hz]
S(Signal)：受信信号の電力
N(Noise)：ノイズの電力
この式が示唆しているのは、通信のスピードと安定性は、帯域幅とS/N比によって物理的に決定されるという事実です。
ここで、ノイズNが急増した場合、帯域幅Bを固定したままではCを維持できません。周波数機敏性は、ノイズの少ない周波数へ移動することで、実質的にNを最小化し、低消費電力な送信出力Sのままでも高いスループットを維持する戦略なのです。
4. 現代における意義
現在のZigbee 3.0では、この機敏性はさらに洗練されています。スマートホームにおいて、隣家のWi-Fiルーターがチャネルを変更したとしても、Zigbeeネットワークはユーザーに気づかれることなく、自律的に最適なチャネルを見つけ出します。
これは、産業現場のFA（ファクトリーオートメーション）や、数千台の照明を制御するスマートビルディングにおいて、メンテナンスフリーな運用を実現するための不可欠な技術となっています。
・まとめ
ZigbeeのFrequency Agilityは、電力や帯域等の限られたリソースの中で、変化し続ける電波環境に柔軟に適応するための戦略です。歴史的な干渉問題への回答として磨かれたこの技術は、現在のIoT社会を影で静かに支える技術と言えるでしょう。
次回はXBee3のZigbeeファームウェアでZigbeeの設計思想がどのように引き継がれているのか解説します。