産業用アプリケーションで2.4GHzおよび5GHz無線LANの違いは何ですか？

ワイヤレス技術の使用は、プロセスや製造業で増加しており、また世界中で無料の2.4GHzのISM帯域で動作するIEEE 802.11b/g/nの製品のインストールベースも増加しています。 無線LAN IEEE 802.11b/g/nのほかに、Bluetooth技術、IEEE 802.15.4/ZigBee/無線HART、およびいくつかの独自技術などの無線技術は、2.4GHz帯で動作します。

非常に多くの技術が同じ周波数帯域で混雑しているので、干渉問題が発生する可能性があります。 産業用ワイヤレスソリューションが堅牢であることを確実にするためには、基本的に2つのソリューションがあります。1つは詳細な周波数計画を通じて実施し、もう1つは特殊なアンテナソリューション（漏洩ケーブルのような）を産業用2.4GHzの設定で使用することです。またはオフィスおよびIT通信向けに2.4GHz帯を使用するようにすることで、そして製造およびM2M通信には5GHz帯を使用することです。

2.4および5GHz帯のチャンネルの違いや使用

無線LAN IEEE 802.11b/g無線は2.4GHzの周波数帯（2.412～2.472GHz）を利用し、IEEE 802.11a無線は5GHzの周波数帯（5.180～5.825GHz）を利用します。 IEEE 802.11n無線は、いずれの周波数帯域でも動作することができます。 次の世界的な実装属性があります。

• 2.4GHz ISMバンドは周波数が均等に広がる13の重複チャンネルを提供し、それに加えて2.484GHzを中心周波数とする日本で使用されている第14チャンネルがあります。 これにより、2.4GHz帯では使用可能なオーバーラップしない3つのチャンネルのみが残ります。 無線LAN接続されたデバイス間の干渉を回避するために、これらのチャンネルは非常に効率的に使用しなければなりません。 インストールは慎重な周波数プランニングや、漏洩ケーブルなどの高価なソリューションの実装を必要とします。 換言すれば、設置コストは容易に設置された実際の無線装置よりも高くなる可能性があります。
• 5GHzのISMバンドは、U-NIIバンド（Unlicensed National Information Infrastructure）と呼ばれるサブバンドに分割され、通常、U-NII-1、U-NII-2、U-NII-2E、およびU-NII-3と名付けられていて、U-NII-3は世界中で自由に利用で切るわけではありません。 これは合計、23のオーバーラップしないチャンネルを提供し、これらの内4つは場所*に基づいて制限があります。 今日では、5GHz帯の中で最も利用可能な無線LANソリューションは、周波数チャンネル36～48を持つU-NII-1バンド（5.18～5.24GHz）を使用します。 しかし、周波数チャンネル52～140を持つU-NII-2/2eバンド（5.26～5.70GHz）を含むように範囲を拡大しているいくつかのサプライヤもあります。

チャンネル	U-NIIバンド	周波数（MHz）	米国40/20MHz	ヨーロッパ40/20MHz
36	1	5180	はい	はい
38	1	5190	いいえ	いいえ
40	1	5200	はい	はい
42	1	5210	いいえ	いいえ
44	1	5220	はい	はい
46	1	5230	いいえ	いいえ
48	1	5240	はい	はい
52	2	5260	はい	はい
56	2	5280	はい	はい
60	2	5300	はい	はい
64	2	5320	はい	はい
100	2e	5500	はい	はい
104	2e	5520	はい	はい
108	2e	5540	はい	はい
112	2e	5560	はい	はい
116	2e	5580	はい	はい
120	2e	5600*	いいえ	はい
124	2e	5620*	いいえ	はい
128	2e	5640*	いいえ	はい
132	2e	5660*	いいえ	はい
136	2e	5680	はい	はい
140	2e	5700	はい	いいえ
149	3	5745	はい	いいえ
153	3	5765	はい	いいえ
157	3	5785	はい	いいえ
161	3	5805	はい	いいえ
165	3	5825	はい	いいえ

2.4GHzおよび5GHz標準の長所と短所

無線LAN IEEE 802.11b/g/nは、すでに巨大なインストールベースおよび利用できる製品の広い範囲で十分に確立されています。 その広い使用の他に、2.4GHz帯は世界的に利用可能なISM帯域で動作するという利点を提供します。 また、同一の出力電力を用いて達成できる範囲は、より高い周波数5GHz帯を使用した無線機と比較して、2.4GHzが良好です。

上記の表に示すように、すべての5GHzのISMバンドは、世界中で使用できるわけではありません。 さらに、部品や製品の入手可能性は、まだ多少2.4GHz帯に比べて制限されています。

5GHz帯域の最大の強みは、23*のオーバーラップしないチャンネルの利用可能性です。2.4GHz帯で利用可能なものよりも20*チャンネルより多く利用可能です。 無線空間を「戦う」他の無線技術が存在しないので、23*の利用可能なオーバーラップしないチャンネルは干渉のない、安定した無線通信が容易になり、計画の可能性を提供することができます。 5GHz帯の別の利点は、利用可能なチャンネルの数が多いほど、より多くの無線デバイスが同じ無線環境で接続することができることを意味し、増加した密度を提供することです。

5GHz帯のレーダ検出 - 動的周波数選択（DFS）

U-NII-2/2e帯（チャンネル52～140、周波数範囲5.260～5.725GHz）での無線LANの使用は、レーダ検出を必要とします。 動的周波数選択（DFS）機能の動作コンテキスト内では、デバイスはマスターまたはスレーブとして動作しなければなりません。 一般的にインフラストラクチャへのクライアントであるスレーブデバイスのための要件は次のとおりです。

• スレーブデバイスは、マスタデバイスから適切なイネーブル信号を受信する前にデータを送信してはなりません。
• マスタデバイスによって指示されるたびに、スレーブデバイスは、そのすべてのデータ伝送を停止しなければなりません。
• スレーブとして動作するデバイスは、マスターとして動作するデバイスによって制御されるネットワークで動作しなければなりません。

典型的に、アクセスポイントまたはアドホックモードネットワークにおけるマスターであるマスターデバイスのための要件は、スレーブデバイスのための要件とは異なります。 マスタデバイスのための要件は次のとおりです。

• マスタデバイスは、レーダー信号を検出しなければなりません。
• マスタデバイスは利用可能なチャンネルでのみ動作を開始しなければなりません。
• 通常動作時に、マスタデバイスは動作中のチャンネル（インサービスモニタリング）を監視しなければなりません。
• マスタデバイスがインサービスモニタリング中にレーダー信号を検出した場合、マスタデバイスはこのチャンネル上での送信を停止するように、すべての関連するスレーブデバイスに指示しなければなりません。

一部のデバイスは、ネットワークに接続していなくても、アドホックな方法で通信することができます。 アドホックデバイスは1つのデバイスがマスタの役割を担い、ポイントツーポイント通信チャンネルを形成し、従って、DFSおよびマスターに適用される要件のすべての要求を引き受けます。

範囲と性能

5GHz帯の無線波長は、2.4GHz帯の波長の半分です。 結果として、5GHz帯を使用する無線モジュールは、同一の出力電力を使用して、2.4GHz帯域で動作する無線よりも狭い範囲を有することになります。 どれだけ少ない範囲になるかは、考慮する場所の無線条件に依存するため、予測することは困難です。 さらに、多様な材料が異なった周波数を吸収するので、結果として劇的に範囲に影響を与えます。 正確な範囲を学ぶためには、ソリューションを実際に試験しなければなりません。

5GHz帯の工場での試験では、範囲が何によっても遮られない視線で、50メートル～100メートルの間であることを示しています。 障害物、妨害、材料、および大規模なデータパッケージの使用は、実質的に範囲を減少させることになります。

要約

無線LAN通信に5GHz帯を使用することにより、いくつかの利点およびコストの減少を達成することができます。 23*の可能な無線LANチャンネルを追加することにより、周波数計画、密度（無線カバー空間内のアクティブな無線デバイスの数）とインストールの複雑さを、飛躍的に向上させることができます。 追加のボーナスとしては、他の無線技術のために2.4GHz帯を解放できることです。

これらの利点は、5GHzの工業製品の可用性の増大とともに、近い将来に大きく5GHz帯の使用を増加させることになります。 今まで、工業的用途における5GHz帯の使用は、より小さなアクセスポイントと、小さなコンパクトなクライアント（アクセスポイントと同じプラットフォームに基づいて）として、製品に多かれ少なかれ制限されてきました。 市場ですでに利用可能なものは、様々な工業製品への統合のためのOEMワイヤレスモジュールだけでなく、小型のデバイスや既存のシリアル通信ベースの製品を統合するためのシリアル無線LANクライアントです。

*FCCチャンネル120～132の場合、使用はターミナルドップラー気象レーダ（TDWR）への干渉リスクのために空港の近くでは制限されています。 （ FCC KDB 443999を参照）。 カナダではチャンネル120～128への制限が要求されます。