¿Cuál es la diferencia entre una LAN inalámbrica de 2.4 GHz y 5 GHz en aplicaciones industriales?

A medida de que el uso de tecnologías inalámbricas ha aumentado en la industria de procesos y fabricación, así también ha aumentado la base instalada de productos IEEE 802.11b/g/n que funciona por la banda ISM de 2.4 GHz gratuita en el mundo. Además de la LAN inalámbrica IEEE 802.11b/g/n, otras tecnologías inalámbricas como la tecnología Bluetooth, IEEE 802.15.4/ ZigBee/HART inalámbrica y otras tecnologías propietarias operan en la banda de 2.4 GHz.

Con tantas tecnologías en la misma banda de frecuencia, se pueden producir problemas de interferencia. Para asegurarse de que las soluciones inalámbricas industriales son sólidas, existen básicamente dos soluciones: realizar una planificación de frecuencia extensa y usar soluciones especiales de antena (como cables de fuga) en el ajuste industrial de 2.4 GHz o usar la banda de 2.4 Ghz para las comunicaciones de oficina y TI, y luego usar la banda de 5 GHz para la fabricación y la comunicación M2M.

Diferencias en canales y uso para las bandas de 2.4 y 5 GHz

Las radios LAN inalámbricas IEEE 802.11b/g utilizan la banda de frecuencia de 2.4 GHz (2.412 – 2.472 GHz) y la radio IEEE 802.11a utiliza la banda de frecuencia de 5 GHz (5.180 – 5.825 GHz). Las radios IEEE 802.11n pueden operar en cualquiera de las bandas de frecuencia. Existen los siguientes atributos de implementación en el mundo:

• La banda ISM de 2.4 GHz ofrece 13 canales superpuestos esparcidos equitativamente en las frecuencias más un decimocuarto canal utilizado en Japón con frecuencia central de 2.484 GHz. De esta manera, solo quedan disponibles tres canales que no se superponen en la banda de 2.4 GHz. Para evitar interferencias entre los dispositivos conectados a la LAN inalámbrica, estos canales se deben utilizar de manera muy eficiente. La instalación requiere una planificación cuidadosa de la frecuencia o una instalación costosa de soluciones como cables de fuga. En otras palabras, los costos de la instalación fácilmente pueden ser superiores a los del equipo inalámbrico que está instalado actualmente.
• La banda ISM de 5 GHz se divide en sub bandas denominadas bandas U-NII (infraestructura de información nacional sin licencia) y se denominan generalmente U-NII-1, U-NII-2, U-NII-2e y U-NII-3 donde U-NII-3 no está disponible gratuitamente a nivel mundial. En total, hay 23 canales que no se superponen donde cuatro de ellos tienen limitaciones según la ubicación.* En la actualidad, la mayoría de las soluciones LAN inalámbricas disponibles en la banda de 5 GHz utiliza la banda U-NII-1 (5.18-5.24 GHz) con canales de frecuencia de 36-48. No obstante, también existen algunos proveedores que han extendido el rango para incluir la banda U-NII-2/2e (5.26-5.70 GHz) con canales de frecuencia de 52-140.

Canal	Banda U-NII	Frecuencia (MHz)	Estados Unidos 40/20 MHz	Europa 40/20 MHz
36	1	5180	Sí	Sí
38	1	5190	No	No
40	1	5200	Sí	Sí
42	1	5210	No	No
44	1	5220	Sí	Sí
46	1	5230	No	No
48	1	5240	Sí	Sí
52	2	5260	Sí	Sí
56	2	5280	Sí	Sí
60	2	5300	Sí	Sí
64	2	5320	Sí	Sí
100	2e	5500	Sí	Sí
104	2e	5520	Sí	Sí
108	2e	5540	Sí	Sí
112	2e	5560	Sí	Sí
116	2e	5580	Sí	Sí
120	2e	5600*	No	Sí
124	2e	5620*	No	Sí
128	2e	5640*	No	Sí
132	2e	5660*	No	Sí
136	2e	5680	Sí	Sí
140	2e	5700	Sí	No
149	3	5745	Sí	No
153	3	5765	Sí	No
157	3	5785	Sí	No
161	3	5805	Sí	No
165	3	5825	Sí	No

Ventajas y desventajas de los estándares de 2.4 GHz y 5 GHz

La LAN inalámbrica IEEE 802.11b/g/n ya está bien establecida con su gran base instalada y un amplio rango de productos a disposición. Además de su amplio uso, la banda de 2.4 GHz ofrece la ventaja de funcionar en una banda ISM disponible a nivel mundial. Además, el rango alcanzado utilizando la misma potencia de salida es mejor en 2.4 GHz en comparación con las radios que utilizan la banda con frecuencias mayores de 5 GHz.

Tal como se indica en la siguiente tabla, toda la banda de ISM de 5 GHz no está disponible para el uso a nivel mundial. Además, la disponibilidad de componentes y productos es aún un poco limitado en comparación con la banda de 2.4 GHz.

La mayor fortaleza de la banda de 5 GHz es la disponibilidad de 23* canales no superpuestos, 20* canales más que los disponibles en la banda de 2.4 GHz. Dado que no hay otra tecnología inalámbrica que "luche" por el espacio en la radio, los 23* canales no superpuestos disponibles pueden ofrecer la posibilidad de realizar una planificación más sencilla de una comunicación inalámbrica estable y sin interferencias. Otra ventaja de la banda de 5 GHz es que al contar con una mayor cantidad de canales disponibles, ofrece mayor densidad; es decir, más dispositivos inalámbricos se pueden conectar en el mismo entorno de radio.

Detección de radar de la banda de 5 GHz – Selección de frecuencia dinámica (DFS)

El uso de la LAN inalámbrica en las bandas U-NII-2/2e (canal 52 -140, rango de frecuencia 5.260––5.725 GHz) requiere una detección del radar. Dentro del contexto de operación de la función de selección de frecuencia dinámica (DFS), un dispositivo operará como maestro o esclavo. Los requisitos de un dispositivo esclavo, que es generalmente un cliente en una infraestructura, son los siguientes:

• Un dispositivo esclavo no transmitirá datos antes de recibir una señal de autorización de un dispositivo maestro.
• Un dispositivo esclavo deberá detener todas las transmisiones de datos siempre que se lo solicite un maestro.
• Los dispositivos que funcionan como esclavos solamente deberán operar en una red controlada por un dispositivo que funciona como maestro.

Los requisitos para un dispositivo maestro, que es generalmente un punto de acceso o un maestro en una red de modo ad hoc, son diferentes de los requisitos de un dispositivo esclavo. Los requisitos para un dispositivo maestro son los siguientes:

• Un maestro debe detectar las señales de radar.
• Un maestro solo debe comenzar las operaciones en los canales disponibles.
• Durante el funcionamiento normal, un maestro deberá monitorear el canal en funcionamiento (monitor de servicio).
• Si un maestro ha detectado una señal de radar durante el monitoreo en servicio, el maestro deberá instruir a todos los esclavos asociados para detener la transmisión en ese canal.

Algunos dispositivos pueden comunicarse de manera ad hoc sin estar conectados a una red. Los dispositivos ad hoc forman un canal de comunicación entre puntos con uno de los dispositivos tomando el rol de maestro y, por lo tanto, aceptando el requisito de DFS y todos los requisitos aplicables para un maestro.

Rango y rendimiento

La longitud de onda de la radio en la banda de 5 GHz es la mitad de la longitud de onda en la banda de 2.4 GHz. Como consecuencia, un módulo de radio que utiliza la banda de 5 GHz tendrá un rango más estrecho que una radio que opera en la banda de 2.4 GHz utilizando la misma potencia de salida. Es difícil predecir cuánto menos será el rango ya que depende de las condiciones de la radio en la ubicación determinada. Además, varios materiales absorben las frecuencias de distintas maneras que, a su vez, afectan drásticamente al rango. Para saber el rango exacto, la solución se debe proban en vivo.

Las pruebas en fábrica en la banda de 5 GHz han demostrado que el rango puede estar entre 50 y 100 metros en la línea de visión libre. Los obstáculos, interferencias, materiales y el uso de grandes paquetes de datos pueden disminuir el rango sustancialmente.

Resumen

Al usar la banda de 5 GHz para la comunicación LAN inalámbrica, se pueden lograr varios beneficios y disminuciones de costos. Al agregar los 23* posibles canales LAN inalámbricos, puede mejorar sustancialmente la planificación de frecuencia, la densidad (la cantidad de dispositivos inalámbricos activos dentro del espacio de cobertura de la radio) y la complejidad de la instalación. Un bono adicional sería la liberación de la banda de 2.4 GHz para otras tecnologías de radio.

Estas ventajas junto con una mayor disponibilidad de los productos industriales de 5 GHz aumentarán el uso de la banda de 5 GHz significantemente en el futuro cercano. Hasta ahora, el uso de la banda de 5 GHz en las aplicaciones industriales han sido más o menos limitadas a los productos como puntos de acceso más pequeños y los clientes compactos pequeños (basados en las mismas plataformas que los puntos de acceso). Ya se encuentran disponibles en el mercado, los módulos inalámbricos OEM para la integración en varios productos industriales así como los clientes LAN inalámbricos seriales para la integración de dispositivos más pequeños y los productos existentes basados en la comunicación serial.

* Para canales FCC 120 - 132, el uso está restringido a aeropuertos cercanos debido al riesgo de interferencia del radar meteorológico Doppler de terminal (TDWR). (ref. FCC KDB 443999). Canadá requiere una restricción en los canales 120 – 128.