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 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 importante para saber 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 primera página 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 la carretilla elevadora del 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» de esta banda se solapa con al menos dos de estos tres.

¿Qué más hay 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 en toda la banda, ~1600 saltos por segundo
• Hornos microondas: emiten ~10 dBm de ruido de banda ancha centrado en torno a 2,45 GHz cuando están en uso
• Teléfonos inalámbricos, vigilabebés, videoporteros, ZigBee, Thread, mandos a distancia RF propietarios: todos comparten los mismos 83 MHz

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

3. La ventaja de los 5 GHz

La banda de 5 GHz disponible 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 de la UE y EE. UU.) requiere selección dinámica de frecuencia, un mecanismo regulatorio que detecta 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 usan 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 suavidad en el promedio y de forma catastrófica en las colas. Un enlace que muestra un 99,5 % de paquetes recibidos en una prueba de una hora puede presentar picos de latencia de 70 ms cuando coincide una ráfaga colisionante de un punto de acceso vecino. En un flujo de vídeo con búfer esto pasa inadvertido; para un variador que espera el siguiente flanco del encoder en menos de 1 ms, es un fallo.

Los enlaces de 5 GHz, en particular 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 del alcance (y por qué aquí no importa)

Las pérdidas en espacio libre aumentan con el cuadrado de la frecuencia de la portadora. Al comparar 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 la misma ganancia de antena.

En un Wi-Fi de consumo que cubre una vivienda de varias plantas, esto importa. En un encoder inalámbrico industrial cuyo enlace realista más largo es de 100–200 m, en su mayor parte 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 de uso libre en la mayoría de los países, pero el funcionamiento 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 debidamente certificados para 5 GHz se han construido con una disciplina espectral más estricta, lo que por lo general se traduce en un mejor comportamiento bajo interferencia.

El funcionamiento en 5 GHz es el valor predeterminado de 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 no perdona. A diferencia de un protocolo de streaming, que puede usar 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 provocar una parada por fallo de la línea.

Por tanto, la decisión de diseño correcta es eliminar las fuentes de pérdidas en la capa física en lugar de recuperarse de ellas en la capa de protocolo. Elegir 5 GHz en lugar de 2,4 GHz es la mayor eliminación individual disponible.

8. Cómo implementa WENC2 los 5 GHz

WENC2 utiliza una radio de doble banda en 5 GHz que opera en las subbandas estándar sin licencia (UNII-1 / UNII-2 / UNII-3 en la terminología estadounidense, con clasificación equivalente en la UE). La selección de canal es automática al establecer el enlace: la unidad explora 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 durante el funcionamiento ante una interferencia persistente.

El protocolo de transmisión es una trama TDMA ligera diseñada específicamente para datos periódicos de encoder, no una pila 802.11 genérica. Así se evita lo peor de la cola de latencia CSMA/CA de Wi-Fi y el tiempo en el aire por actualización del encoder se mantiene en unos pocos cientos de microsegundos, de modo que el canal permanece libre la mayor parte del tiempo y tolera alguna ráfaga ajena ocasional.

Latencia típica de extremo a extremo, 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 saber qué significa realmente esa cifra en un bucle de control.

9. Conclusión

2,4 GHz es adecuado 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 está saturada. La banda de 5 GHz, en particular su parte DFS, es la elección técnicamente correcta para cualquier aplicación en la que los paquetes perdidos tengan consecuencias mecánicas.

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