工业应用中2.4GHz和5GHz无线局域网之间有何差异?

2017-02-13 来源:Digi-Key作者:Rolf Nilsson 我要评论(0) 字号:

随着无线技术在加工和制造行业应用的不断增加,工作在全球免费的2.4 GHz ISM 频带内的IEEE 802.11b/g/n 产品安装数量也不断攀升。除无线局域网IEEE 802.11b/g/n 技术外,其它象蓝牙、IEEE 802.15.4/ZigBee/无线HART 以及很多专利技术均工作在2.4 GHz 频带内。

如此多的技术挤在同一频带内,干扰问题就可能发生。为确保工业无线解决方案的稳健性,基本有两种解决方案:在工业2.4 GHz 设置中进行详细而广泛的频率规划并使用专用的天线解决方案(如漏泄电缆),或者使用2.4 GHz 频带作办公和IT 通信之用,然后使用5 GHz 频带作制造和M2M 通信之用。

频道的差异以及2.4 和5 GHz 频带的使用

无线局域网IEEE 802.11b/g 无线电使用2.4 GHz 频带(2.412 –2.472 GHz),而IEEE 802.11a 无线电使用5 GHz 频带(5.180 –5.825 GHz)。IEEE 802.11n 无线电同时工作在这两个频带内。具体具有以下全球实现属性:

· 2.4 GHz ISM 频带具有13 个重叠频道,均匀分布在频率范围内,外加一个在日本使用的第十四频道,中心频率为2.484 GHz。如此在2.4 GHz 频带内,只有三个非重叠频道。为了避免无线局域网连接设备之间发生干扰,这些频道必须使用得十分高效。安装时需要仔细进行频率规划,或者使用如漏泄电缆这样的昂贵装置。换言之,建安成本很容易超过所安装的实际无线设备的成本。

· 5 GHz ISM 频带则被分割为称为U-NII 频带(非许可国家信息基础设施)的子频带,通常称作U-NII-1、U-NII-2、U-NII-2e 和U-NII-3,其中U-NII-3 在全球范围内不是免费提供的。该频带共提供了23 个非重叠频道,其中四个根据所在地区的不同而可能会有所限制*。如今最常用的5 GHz 频带无线局域网使用U-NII-1 频带(5.18-5.24 GHz),频道36-48。但是,也有一些供应商将范围进行了扩充,从而包括U-NII-2/2e 频带(5.26-5.70 GHz),频道52-140。

表1:5 GHz 频率带的U-NII 频带表(引用自wikipedia.org)。

2.4 GHz 和5 GHz 标准的利与弊

无线局域网IEEE 802.11b/g/n 技术成熟,设备安装基数庞大,采用该技术的产品种类广泛。除了使用广泛外,2.4 GHz 频带具有在全球广泛应用的ISM 频带内工作的优势。而且,相比使用更高频率5 GHz 频带的无线电来说,使用相同的输出功率时2.4 GHz 能够实现的范围要更好。

如此表所示,整个5 GHz ISM 频带在全球范围内均不可用。此外,元器件和产品的可获得性相对2.4 GHz 频带来说仍受到某种程度的限制。

5 GHz 频带的最大的优势就是23* 个非重叠频道,比2.4 GHz 频带多了20* 个。既然没有其它无线技术能“争取”到无线频率空间,那么这23* 个可用的非重叠频道就为简化无干扰频率规划和稳定无线通信提供了可能。5 GHz 频带的另一个优势是通过更多的可用频道数增加密度,这意味着同一无线电环境中可以接入更多的无线设备。

5 GHz 频带雷达检测 动态频率选择(DFS)

使用U-NII-2/2e 频带(频道52 -140,频率范围5.260––5.725 GHz)的无线局域网需要具有雷达检测功能。处于动态频率选择(DFS) 功能工作背景中时,设备可以工作在主或从状态下。作为从设备时(通常在网络设施中有一个客户端)的要求如下:

· 从设备在接收到主设备的相应使能信号前不得发送数据。
· 从设备在收到主设备指示时应随时停止所有数据传输。
· 工作为从设备的设备只能工作在受工作为主设备的设备控制的网络中。

作为主设备时(通常为自组织方式网络的一个接入点或主控设备)的要求与作为从设备的要求是不同的。作为主设备时的要求如下:

· 主设备应检测雷达信号。
· 主设备应只在可用频道上启动操作。
· 在正常工作期间,主设备应监控工作频道(服务中监控)。
· 如果主设备在执行服务中监控时检测到雷达信号,应立即指示其所有关联设备停止在此频道上进行数据传输。

有些设备能够以自组织方式进行通信,无需附加到某个网络。自组织设备形成一个点对点通信频道,其中一个设备起作主设备作用,因此就需要满足DFS 要求以及作为主设备适用的所有要求。

范围和性能

5 GHz 频带的无线电波长只有2.4 GHz 频带波长的一半。因此,使用5 GHz 频带的无线电模块的范围要比具有同输出功率的2.4 GHz 无线电窄。具体窄多少难以预计,因为这取决于所要工作的位置的无线电状态。而且各种材料对频率的吸收也存在差异,反过来这也大为影响范围。为了确定具体范围,解决方案必须经过现场测试。

5 GHz 频带的工厂测试显示,在无障碍视线内,范围可以在50 米到100 米之间。障碍、干扰、材料和大数据包的使用都可能降低范围的持续性。

总结

使用5 GHz 频带进行无线局域网通信具有众多优势并可以降低成本。通过增加23* 个可能的无线局域网频道,可以大大改善频率规划、密度(无线电覆盖空间内活动无线设备的数量)以及安装复杂性。另外一个好处就是可以空出2.4 GHz 频带作其它无线电技术之用。

这些优势加上不断增加的5 GHz 工业产品可获得性,相信在不久的未来,5 GHz 频带的应用将大大增加。到目前为止,工业应用中5 GHz 频带的应用或多或少地受到象更小接入点、更紧凑客户端(基于与接入点相同的平台)之类产品的限制。市面上已经提供的产品有OEM 无线模块,适合集成到各种工业产品中,以及串行无线局域网客户端,用于集成更小设备和基于现有串行通信的产品。

* 对于FCC 频道120 –132 来说,由于对机场多普勒天气雷达(TDWR) 存在干扰风险,因此在靠近机场的地方不得使用。(引用自FCC KDB 443999)。加拿大限制使用频道120 –128。

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