5 GHz contre 2,4 GHz pour le sans-fil industriel : une comparaison technique

1. Pourquoi cette question est importante

La commande moteur en boucle fermée dépend d'une rétroaction codeur qui soit continue, à faible latence et déterministe. Une liaison sans fil remplace une bague collectrice mécanique ou un long câble en cuivre ; du point de vue du variateur, elle doit se comporter comme si le codeur était directement câblé. La variable la plus importante qui détermine si une liaison sans fil peut atteindre ce niveau est la bande radio dans laquelle elle fonctionne.

Les fournisseurs indiquent rarement la bande sur la première page de leurs fiches techniques. Les acheteurs demandent rarement. Six mois plus tard, le codeur fonctionne parfaitement sur le banc et perd des paquets chaque fois que le chariot élévateur de l'entrepôt voisin allume son point d'accès Wi-Fi 2,4 GHz. Ce document existe pour que la question soit posée en premier, et non en dernier.

2. Le problème du spectre 2,4 GHz

La bande ISM 2,4 GHz s'étend de 2400 à 2483,5 MHz — soit environ 83,5 MHz de spectre utilisable. Après prise en compte des bandes de garde, la disposition pratique est de trois canaux non chevauchants de 20 MHz (canaux 1, 6, 11 dans la plupart des régions réglementaires). Tout autre « numéro de canal » dans cette bande chevauche au moins deux de ces trois.

Qu'y a-t-il d'autre dans la bande 2,4 GHz ?

• Wi-Fi 4 (802.11n) — présent dans presque tous les bâtiments commerciaux, souvent configuré pour des canaux de 40 MHz qui occupent toute la bande
• Bluetooth et Bluetooth LE — saut de fréquence sur toute la bande, environ 1600 sauts/seconde
• Fours à micro-ondes — fuient environ 10 dBm de bruit à large bande centré autour de 2,45 GHz lorsqu'ils sont en marche
• Téléphones sans fil, moniteurs pour bébés, sonnettes vidéo, ZigBee, Thread, télécommandes RF propriétaires — tous partagent les mêmes 83 MHz

Dans un parc industriel européen typique, un analyseur de spectre à large bande placé à l'extérieur de tout bâtiment montre que le plancher 2,4 GHz se situe 15 à 25 dB au-dessus du bruit thermique. À l'intérieur d'une usine avec un Wi-Fi opérateur, ce chiffre est plus élevé. Une utilisation des canaux supérieure à 60 % est courante ; supérieure à 80 % lors d'un changement d'équipe est normale.

3. L'avantage de la bande 5 GHz

La bande 5 GHz proposée pour un usage sans licence s'étend approximativement de 5150 à 5875 MHz, selon la région réglementaire. Le spectre utilisable agrégé est plus de 8 fois plus large que celui de la bande 2,4 GHz, et la canalisation est nettement plus propre.

Sélection dynamique de fréquence (DFS)

La majeure partie de la bande 5 GHz (canaux 52–144 dans les plans UE/US) nécessite la sélection dynamique de fréquence (DFS) — un mécanisme réglementaire qui écoute les signaux radar et libère le canal si l'un d'eux est détecté. Pour un site industriel qui n'est nulle part près d'un radar météorologique ou d'une installation militaire, la DFS fournit effectivement une bande privée : le radar primaire est rare, le Wi-Fi grand public évite les canaux DFS car les routeurs domestiques utilisent par défaut des canaux non DFS pour des raisons de simplicité, et le résultat est un spectre exceptionnellement propre.

4. Interférence et fiabilité

La fiabilité sans fil n'est pas un nombre unique — c'est la distribution conjointe de trois éléments :

1. Taux d'erreur paquet (PER) sous interférence
2. Comportement de retransmission — la liaison se rétablit-elle de manière transparente ou perd-elle des paquets ?
3. Latence dans le pire cas — le 99,99e centile, pas la moyenne

Les liaisons 2,4 GHz se dégradent progressivement en moyenne et catastrophiquement dans les queues de distribution. Une liaison qui affiche 99,5 % de succès paquet sur un test d'une heure peut présenter des pics de latence de 70 ms lorsqu'une rafale collisionnelle d'un AP voisin coïncide. Pour un flux vidéo bufferisé, c'est invisible ; pour un variateur attendant le prochain front codeur dans la milliseconde, c'est un défaut.

Les liaisons 5 GHz — en particulier sur les canaux DFS — voient bien moins de collisions, donc la queue de la distribution de latence reste proche de la moyenne. C'est la propriété qui importe pour la commande en boucle fermée.

5. Le compromis sur la portée (et pourquoi il n'a pas d'importance ici)

L'affaiblissement en espace libre évolue avec le carré de la fréquence porteuse. En comparant 5,5 GHz à 2,4 GHz, l'affaiblissement est environ 7 dB plus élevé à la même distance — équivalent à une portée effective réduite de moitié à puissance d'émission et gain d'antenne identiques.

Pour le Wi-Fi grand public couvrant une maison à plusieurs étages, cela compte. Pour un codeur sans fil industriel où la liaison la plus longue réaliste est de 100–200 m majoritairement en visibilité directe, cela ne compte pas. WENC2 atteint régulièrement plus de 100 m dans des environnements industriels à la puissance d'émission 5 GHz légale, avec une marge confortable. Échanger 7 dB de marge contre 25 fois plus de canaux et une fraction des interférences est, dans cette application, un gain sans ambiguïté.

6. Paysage réglementaire

Les deux bandes sont sans licence dans la plupart des pays, mais l'exploitation 5 GHz est régie par des règles plus strictes — DFS, masques de puissance d'émission et limites d'émission hors bande. Ces règles ont un effet secondaire qui nous est bénéfique : les équipements correctement certifiés pour l'exploitation 5 GHz ont été conçus selon une discipline spectrale plus stricte, ce qui se traduit généralement par un meilleur comportement sous interférence.

WENC2 est certifié CE couvrant ETSI EN 300 328 (2,4 GHz) et ETSI EN 301 893 (5 GHz). L'exploitation 5 GHz est la configuration de production par défaut ; le frontal 2,4 GHz existe pour des scénarios de compatibilité qui n'ont, en trois ans de déploiement sur le terrain, jamais été demandés.

7. Implications pour la transmission de codeurs industriels

La rétroaction codeur ne pardonne pas. Contrairement à un protocole de streaming qui peut bufferiser, un front codeur manqué au mauvais moment provoque une discontinuité de position dans le variateur. Même un seul paquet perdu, dans le mauvais système, peut déclencher un arrêt sur défaut de la ligne.

Le bon choix de conception est donc d'éliminer les sources de pertes au niveau de la couche physique plutôt que de récupérer au niveau de la couche protocolaire. Choisir le 5 GHz plutôt que le 2,4 GHz est la plus grande élimination unique disponible.

8. Comment WENC2 implémente le 5 GHz

WENC2 utilise un module RF 5 GHz bi-bande certifié CE fonctionnant sur les sous-bandes standard sans licence (UNII-1 / UNII-2 / UNII-3 dans la terminologie US, classification UE équivalente). La sélection de canal est automatique à l'établissement de la liaison : l'unité scanne les canaux disponibles, les classe par plancher de bruit observé et contention, et sélectionne le plus propre. Le changement de canal en cours d'exploitation en cas d'interférence persistante est pris en charge.

Le protocole de transmission est un moteur de trame TDMA léger conçu spécifiquement pour les données codeur périodiques — non une pile 802.11 générique. Cela évite le pire de la queue de latence CSMA/CA du Wi-Fi et maintient le temps d'antenne par mise à jour de codeur à quelques centaines de microsecondes, laissant le canal inactif la plupart du temps et tolérant les rafales étrangères occasionnelles.

Latence mesurée de bout en bout, du front codeur à la sortie RX : moins d'une milliseconde, déterministe. Voir notre document complémentaire, Latence dans la commande moteur en boucle fermée, pour ce que ce chiffre signifie réellement dans une boucle de commande.

9. Conclusion

La bande 2,4 GHz convient aux ordinateurs portables, aux téléphones, aux caméras de sonnette et à la plupart de l'électronique grand public. C'est un mauvais choix pour la transmission de codeurs industriels en boucle fermée, non parce que la bande est mauvaise, mais parce qu'elle est saturée. La bande 5 GHz — en particulier sa portion DFS — est le choix techniquement correct pour toute application où des paquets perdus se traduisent par des conséquences mécaniques.

Les ingénieurs concevant ou spécifiant des liaisons codeur sans fil devraient poser la question de la bande en premier. WENC2 a été conçu autour de la réponse.