5 GHz frente a 2,4 GHz para inalámbrico industrial: una comparación técnica

1. Por qué importa esta cuestión

El control de motor en bucle cerrado depende de una realimentación de encoder que sea continua, de baja latencia y determinista. Un enlace inalámbrico sustituye a un anillo colector mecánico o a un cable de cobre largo; desde el punto de vista del variador, debe comportarse como si el encoder estuviera cableado directamente. La variable más relevante que determina si un enlace inalámbrico puede cumplir ese requisito es la banda de radio en la que opera.

Los fabricantes rara vez indican la banda en la portada de sus hojas de datos. Los compradores rara vez preguntan. Seis meses después, el encoder funciona perfectamente en el banco de pruebas y pierde paquetes cada vez que el almacén contiguo enciende su punto de acceso Wi-Fi de 2,4 GHz. Este documento existe para que esta pregunta se formule en primer lugar, no en último.

2. El problema del espectro de 2,4 GHz

La banda ISM de 2,4 GHz abarca de 2400 a 2483,5 MHz, aproximadamente 83,5 MHz de espectro utilizable. Tras descontar las bandas de guarda, la disposición práctica son tres canales de 20 MHz no solapados (canales 1, 6 y 11 en la mayoría de regiones regulatorias). Cualquier otro "número de canal" en esta banda se solapa con al menos dos de estos tres.

¿Qué más vive en 2,4 GHz?

• Wi-Fi 4 (802.11n): presente en casi todos los edificios comerciales, a menudo configurado con canales de 40 MHz que ocupan toda la banda.
• Bluetooth y Bluetooth LE: salto de frecuencia a lo largo de toda la banda, ~1600 saltos/segundo.
• Hornos microondas: filtran ~10 dBm de ruido de banda ancha centrado en torno a 2,45 GHz cuando están en uso.
• Teléfonos inalámbricos, monitores de bebé, videoporteros, ZigBee, Thread, mandos a distancia RF propietarios: todos compartiendo los mismos 83 MHz.

En un parque industrial europeo típico, un analizador de espectro de banda ancha situado fuera de cualquier edificio muestra el suelo de 2,4 GHz situado entre 15 y 25 dB por encima del ruido térmico. Dentro de una fábrica con Wi-Fi de operadores, esa cifra es mayor. Una utilización del canal por encima del 60 % es habitual; por encima del 80 % durante el cambio de turno es lo normal.

3. La ventaja de los 5 GHz

La banda de 5 GHz ofrecida para uso sin licencia abarca aproximadamente de 5150 a 5875 MHz, según la región regulatoria. El espectro utilizable agregado es más de 8 veces más ancho que el de 2,4 GHz, y la canalización es mucho más limpia.

Selección dinámica de frecuencia (DFS)

La mayor parte de la banda de 5 GHz (canales 52–144 en los planes UE/EE. UU.) requiere DFS, un mecanismo regulatorio que escucha señales de radar y desocupa el canal si detecta alguna. Para un emplazamiento industrial alejado de cualquier radar meteorológico o instalación militar, DFS proporciona en la práctica una banda privada: el radar incumbente es raro, el Wi-Fi de consumo evita los canales DFS porque los routers domésticos eligen por defecto canales no DFS por simplicidad, y el resultado es un espectro excepcionalmente limpio.

4. Interferencia y fiabilidad

La fiabilidad inalámbrica no es un único número: es la distribución conjunta de tres elementos:

1. Tasa de error de paquetes (PER) bajo interferencia.
2. Comportamiento de reintento: ¿se recupera el enlace de forma transparente o pierde paquetes?
3. Latencia en el peor caso: el percentil 99,99, no la media.

Los enlaces de 2,4 GHz se degradan con elegancia en el promedio y de forma catastrófica en las colas. Un enlace que muestra un 99,5 % de éxito en una prueba de una hora puede presentar picos de latencia de 70 ms cuando una ráfaga colisionante de un AP vecino coincide en el tiempo. Para un flujo de vídeo con búfer, esto es invisible; para un variador que espera el siguiente flanco de encoder en menos de 1 ms, es un fallo.

Los enlaces de 5 GHz, particularmente en canales DFS, sufren muchas menos colisiones, por lo que la cola de la distribución de latencia se mantiene cerca de la media. Esta es la propiedad que importa para el control en bucle cerrado.

5. El compromiso de alcance (y por qué aquí no importa)

Las pérdidas en espacio libre escalan con el cuadrado de la frecuencia portadora. Comparando 5,5 GHz con 2,4 GHz, las pérdidas son aproximadamente 7 dB superiores a la misma distancia, lo que equivale a reducir a la mitad el alcance efectivo con la misma potencia de transmisión y ganancia de antena.

Para un Wi-Fi de consumo que cubre una vivienda de varias plantas, esto importa. Para un encoder inalámbrico industrial cuyo enlace realista más largo es de 100–200 m mayoritariamente con visión directa, no. WENC2 alcanza habitualmente más de 100 m en entornos de fábrica con la potencia de transmisión legal en 5 GHz, con margen de sobra. Cambiar 7 dB de margen por 25 veces más canales y una fracción de la interferencia es, en esta aplicación, una ganancia inequívoca.

6. Marco regulatorio

Ambas bandas son sin licencia en la mayoría de países, pero la operación en 5 GHz se rige por reglas más estrictas: DFS, máscaras de potencia de transmisión y límites de emisión fuera de banda. Estas reglas tienen un efecto secundario que nos beneficia: los equipos correctamente certificados para operar en 5 GHz se han construido con una disciplina espectral más estricta, lo que generalmente se traduce en un mejor comportamiento bajo interferencia.

WENC2 cuenta con certificación CE que cubre ETSI EN 300 328 (2,4 GHz) y ETSI EN 301 893 (5 GHz). La operación en 5 GHz es la opción por defecto en producción; el front-end de 2,4 GHz existe para escenarios de compatibilidad que, en tres años de despliegue en campo, nunca se han solicitado.

7. Implicaciones para la transmisión industrial de encoders

La realimentación del encoder es implacable. A diferencia de un protocolo de streaming que puede emplear búfer, un flanco de encoder perdido en el momento equivocado provoca una discontinuidad de posición en el variador. Incluso un único paquete perdido, en el sistema equivocado, puede desencadenar un paro por fallo de la línea.

La elección de diseño correcta es por tanto eliminar las fuentes de pérdidas en la capa física en lugar de recuperarlas en la capa de protocolo. Elegir 5 GHz frente a 2,4 GHz es la mayor eliminación individual disponible.

8. Cómo implementa WENC2 los 5 GHz

WENC2 utiliza un módulo RF de doble banda en 5 GHz certificado CE que opera a través de las sub-bandas estándar sin licencia (UNII-1 / UNII-2 / UNII-3 en la terminología estadounidense, clasificación equivalente en la UE). La selección de canal es automática al establecer el enlace: la unidad escanea los canales disponibles, los clasifica según el suelo de ruido y la contención observados, y elige el más limpio. Se admite el cambio de canal en mitad de operación ante interferencia persistente.

El protocolo de transmisión es un motor TDMA ligero diseñado específicamente para datos periódicos de encoder, no una pila 802.11 genérica. Esto evita lo peor de la cola de latencia CSMA/CA de Wi-Fi y mantiene el tiempo de aire por actualización de encoder en unos pocos cientos de microsegundos, dejando el canal inactivo la mayor parte del tiempo y siendo tolerante a ráfagas externas ocasionales.

Latencia extremo a extremo medida desde el flanco del encoder hasta la salida RX: menos de 1 ms, determinista. Consulte nuestro documento complementario, Latencia en el control de motor en bucle cerrado, para conocer lo que esa cifra significa realmente en un bucle de control.

9. Conclusión

2,4 GHz está bien para portátiles, teléfonos, cámaras de timbre y la mayor parte de la electrónica de consumo. Es una mala elección para la transmisión industrial de encoders en bucle cerrado, no porque la banda sea mala, sino porque la banda está llena. La banda de 5 GHz, particularmente su porción DFS, es la elección técnicamente correcta para cualquier aplicación en la que los paquetes perdidos se traduzcan en consecuencias mecánicas.

Los ingenieros que diseñan o especifican enlaces inalámbricos de encoder deberían formular primero la pregunta de la banda. WENC2 se diseñó en torno a la respuesta.