Cómo seleccionar la antena correcta para aplicaciones inalámbricas industriales

Hans-Joachim Richter
Ingeniero de servicio y soporte
Belden Competence Center

Con frecuencia, los diseñadores e ingenieros de redes evitan las soluciones inalámbricas porque
temen que las interferencias en la transmisión hagan que las comunicaciones de red no sean
fiables. A pesar de las recientes mejoras técnicas, la tecnología de transmisión inalámbrica
sigue causando preocupación cuando es necesario controlar o monitorizar procesos
críticos para las misiones a través de conexiones WLAN. Sin embargo, la solidez, fiabilidad y
disponibilidad de las conexiones inalámbricas puede mejorarse significativamente utilizando la
tecnología de antenas correcta.
Este artículo describe los principios técnicos básicos y los requisitos para encontrar una
solución de antenas adecuada, basada en factores ambientales. También se habla de los
posibles escenarios de aplicación, cubriendo la transmisión de datos en clientes móviles,
máquinas móviles, voz sobre IP (VoIP), unidades de control de automatización y otros usos
comunes.
Introducción
En áreas industriales, como fábricas o refinerías de petróleo y gas, los requisitos son muy
diferentes de los entornos de oficinas. Según las necesidades de cobertura inalámbrica
y rendimiento, el cliente industrial debe considerar la estabilidad mecánica, rangos de
temperatura, niveles de humedad, materiales corrosivos y muchos más a la hora de elegir una
antena.
Las antenas se agrupan generalmente por su banda de frecuencia1. Las bandas típicas de las
antenas incluyen:
Banda de frecuencia: 2.4 GHz
• Banda corta: hasta 200 m con antenas omnidireccionales
• Banda media: hasta 1 km con antenas sectoriales
• Banda larga: hasta 5 km con antenas direccionales

Banda de frecuencia: 5 GHz
• Banda corta: hasta 300 m con antenas
omnidireccionales
• Banda media: hasta 3 km con antenas
sectoriales
• Banda larga: hasta 15 km con antenas
direccionales
Las bandas típicas proporcionan una
orientación para la selección de la antena por
primera vez.
Evaluación de las tecnologías de
antenas
Existen dos tipos principales de antenas2
utilizadas en redes inalámbricas: direccionales
y omnidireccionales (comúnmente
denominadas omni). Las antenas direccionales
orientan la radiofrecuencia (RF) en una
dirección específica para la concentración de
la RF en un área objetivo. Las antenas omni
proporcionan una cobertura igual en todas
las direcciones, con un patrón de cobertura
que tiene el aspecto de una esfera.
Para conectar edificios sobre enlaces punto
a punto en áreas exteriores, las antenas
direccionales serán las más adecuadas. Las
antenas direccionales tienen diferentes
ángulos de apertura, en las que unen
(combinan) la señal de envío/recepción. Para
distancia cortas, son comunes los ángulos
anchos; para distancias más largas, por
ejemplo, 1000 m o más, se prefiere un ángulo
más cerrado (30º o menos)3. Además, las
antenas direccionales limitan y restringen
estas áreas combinando la señal de envío/
recepción de forma unidireccional, generando
un rango mucho más grande.
Para habitaciones y áreas abiertas en el
interior y exterior, en muchos casos la antena
omni es la mejor tecnología por su capacidad
para cubrir un área circular. El rango
particular depende de la sensibilidad de la
antena

La onda más reciente de la tecnología WLAN
también es compatible con las antenas MiMo
(Multiple In Multiple Out). Las antenas MiMo
tienen una estructura simple que contiene
hasta tres elementos de antenas individuales
en su interior. Estas antenas utilizan
activamente reflexiones y demoras en la
propagación de la señal para combinar más
de un flujo. Esto permite lograr una velocidad
de datos más alta y un mejor calidad de la
conectividad en entornos con ruido. Esta
construcción está disponible para antenas
omni y direccionales.
Hirschmann ofrece una guía de antenas
para ayudar a los clientes a elegir las
antenas correctas para una aplicación.
Normalmente, estas guías contienen una
calculadora de distancias que permite
introducir los requisitos específicos. Entonces,
la herramienta recomienda las antenas
adecuadas .
Aplicaciones industriales en la vida
real
En esta sección, exploramos ejemplos de
aplicaciones de tecnología inalámbrica.
Las áreas principales de enfoque son los
requisitos que deben cumplirse para los
diferentes tipos de aplicaciones. ¿Es fija la
comunicación entre las diferentes áreas,
como un enlace punto a punto? ¿Necesita la
señal cubrir un área amplia, como la planta de
una fábrica? ¿Hay clientes (dispositivos como
teléfonos, ordenadores portátiles, tablets)
que se mueven y deben tener cobertura
ininterrumpida del área completa? O, ¿pueden
aceptarse pequeñas interrupciones en la
comunicación según el cliente se mueve
alrededor? ¿Qué tipos de tráfico de datos se
usarán en estas aplicaciones: comunicación
PLC de datos simple de baja velocidad o vídeo
HD de alto ancho de banda? ¿Podría incluso
ser un poco de ambas? Estas son algunas de
las preguntas básicas que deben formularse
para seleccionar el tipo correcto de antena
para su aplicación particular.
Aplicación 1: Área de producción industrial
de gran tamaño – Supervisión de unidades
de carga de arena
¿Por qué WLAN?: Anteriormente, los
dispositivos de carga móviles se conectaban
con un cable de salida. Este cable necesitaba
mucho mantenimiento y reparaciones con
regularidad. Se buscaba una solución sin
mantenimiento, junto con la capacidad para
proporcionar una conexión de transmisión
de datos de control y medida. Por lo tanto, se
decidió evaluar WLAN como opción.
Con el requisito de llegar a clientes WLAN
en un rango medio de distancia (100 m a 1
km), las antenas direccionales orientadas a
los dispositivos o clientes de carga de arena
móviles ofrecían un buen punto de inicio.
Para lograr la cobertura de radio para el
área activa, se necesitaron dos antenas
direccionales para cumplir con los ángulos
de cobertura. Estas antenas se montaron en
un emplazamiento central fijo. Además, con
las demandas de rendimiento del cliente,
también se utilizaron antenas direccionales.
Las antenas direccionales seleccionadas eran
de 9dBi y con un ángulo de apertura de 60º.
Estas antenas soportan, en toda el área móvil,
una relación señal a ruido (SNR) superior a
20dB. Con estas medidas reales, no solo se
alcanzó el rendimiento mínimo necesario de
12M/bits, también se superó ampliamente.
Las antenas seleccionadas garantizaron la
igual visibilidad entre las unidades de carga
y la estación central en toda la ruta
Aplicación 2: Área de producción industrial
pequeña – Extensión de sistema SCADA
para el control sobre estaciones de carga
final
En esta aplicación, debía controlarse y
monitorizarse la carga de los depósitos de
procesos. Para evaluar el estado actual de
cada una de estas estaciones, se necesitaban
visitas físicas de inspección.
El requisito para esta aplicación era cubrir
el área completa alrededor de una posición
de puente de tuberías con conectividad
inalámbrica. En el lado izquierdo del puente
de tuberías  hay una
unidad de control utilizada para el control
del depósito. Se recomendó la colocación de
una antena omnidireccional bajo el puente
de tuberías para lograr la cobertura deseada.
Las medidas de prueba posteriores a la
instalación (estudio in situ) mostraron que
se lograba la cobertura necesaria, incluso
aumentando su alcance. Ahora, el personal
y los operarios pueden usar una tablet y
monitorizar el estado del trabajo en tiempo
real. Ya no es necesario caminar hasta la
unidad de control montada cerca de los
depósitos, en un área peligrosa (EX Zona2).
La antena utilizada en esta aplicación es una
Hirschmann BAT-ANT-N-MiMoDB-5N-IP65.
Esta antena utiliza las características de la
tecnología MiMo, con forma hemisférica
dentro del nivel de iluminación. Combina alta
sensibilidad (recepción de señales pequeñas
de dispositivos manuales) con una sólida
distribución de la señal en el área deseada.
Esto proporciona una cobertura hemisférica
de la superficie deseada, incluido un alto
rendimiento para ayudar en la aplicación del
control en tiempo real
Aplicación 3: Cobertura de automatización
de fábrica – Conexiones perfectas en toda
la planta
Para esta aplicación, el requisito era una
cobertura completa y redundante de toda la
fábrica. El cliente necesitaba una cobertura
del 100 por cien del edificio y triggers para
un sistema de respaldo, en caso de que fallara
una parte de la red.
Las instalaciones de producción ya tenían
instalada una red WLAN que debía renovarse
para dejarla lista para dispositivos móviles
automáticos. La red WLAN existente

no cumplía todos los requisitos y tenía
problemas de cobertura y rendimiento. La
superficie tiene un área aproximada de 400 m
de ancho por 150 m de largo, con una altura
aproximada de 8 m. La mayor parte del área
es un espacio abierto con algunas estanterías
bajas.
Para cumplir con todos los requisitos, fue
necesario diseñar una estructura celular
superpuesta. Los clientes WLAN móviles
necesitaban identificar tres puntos de acceso
en todo el espacio de la fábrica para el
seguimiento de localización y triangulación.
Este requisito garantizaba el control seguro
de los vehículos con guía automatizada.
Para lograr esta cobertura celular, se eligieron
antenas omnidireccionales que se instalaron
por encima de la superficie de asiento en
puntos altos. Este diseño permite restringir
la extensión de la célula de radio a través de
la potencia de transmisión para lograr una
distribución óptima de cada área de radio.
Para lograrlo, se colocaron las antenas
omnidireccionales bajo las vigas de la
cubierta. Se instalaron siete puntos de acceso
para cumplir con el requisito de cobertura
100 por cien redundante en el edificio de la
fábrica.

Ventajas en la práctica
Ahorro de costes
El uso de WLAN para aplicaciones
internas (tecnología de control y medida,
automatización, videovigilancia, puesta en
marcha, intentos de depuración, etc.) puede
ayudarle a mejorar su rentabilidad. Las
WLAN ayudan a reducir la necesidad de más
personal, soporte local adicional y tiempos
de puesta en marcha. El ahorro de un buen
sistema inalámbrico varía, dependiendo
del uso, en un porcentaje del 10-304 y,
en ocasiones, incluso más. Un factor que
puede afectar a este ahorro de costes es
la sustitución de conexiones proclives a
las interferencias (cables de salida y de
otros tipos), cambiando su aplicación a
comunicación de radio sin mantenimiento y,
de este modo, reduciendo los costes.
Fiabilidad
Las conexiones WLAN consiguen la fiabilidad
de las conexiones con cable en el 90 por
ciento de las aplicaciones5. Para aumentar
la fiabilidad de la transmisión de señales,
se puede implementar el protocolo PRP
(protocolo de redundancia paralela). Sin
embargo, hay también aplicaciones cuyos
requisitos (precisión del tiempo, retardos,
errores/redundancias de paquetes de datos)
excluyen la transmisión por radio.

Ventajas competitivas
Esencialmente, los clientes esperan una
mejora en sus procesos, incluida la reducción
de averías menores, tiempos de puesta en
marcha más cortos y el estado en tiempo
real de los dispositivos móviles. El uso
de redes WLAN ofrece a los clientes una
conexión de red móvil para sus aplicaciones,
independientemente de su localización en
el lugar de producción. La necesidad de
buscar un punto de transferencia de datos
para ver información ha quedado obsoleta.
Particularmente en entornos industriales,
se puede eliminar la costosa instalación de
cables de datos con requisitos especiales
de protección (conductores con pantalla,
aislamiento eléctrico, protección contra
incendios).
Conclusión
Según nos ha mostrado este artículo, la
selección de la antena correcta y de la
tecnología de antena adecuada es muy
importante. Las características de cada
antena sirven a un fin específico. La selección
de la antena depende de la iluminación
necesaria en el área y también de las posibles
posiciones de montaje. Por ejemplo, no debe
montarse una antena omnidireccional en una
esquina. De forma similar, debe considerarse
el rendimiento de datos necesario a la hora de
seleccionar una antena. Esto debe basarse en
la sensibilidad de la antena, para poder recibir
sin problemas incluso señales pequeñas. Esta
sensibilidad se refleja en el rango de la célula
de radio (conexión Wi-Fi).
La tecnología WLAN y la transmisión de
información crítica para las misiones en este
medio están cambiando. Con la tecnología
actual, aplicaciones que no eran posibles con
el uso de conductores y cables se pueden
implementar ahora para obtener múltiples
ventajas. La selección de la antena correcta
es un punto crítico para alcanzar estos
objetivos.
Preguntas frecuentes
¿Quién puede ayudarme a lograr una red
WLAN segura?

Cuando necesite ayuda con una red
WLAN segura, busque un proveedor que
ofrezca ingeniería, productos y servicios
WLAN diversos. El equipo de Belden puede
proporcionarle asistencia directa o ponerle
en contacto con socios que pueden cubrir sus
necesidades.

¿Cómo puedo encontrar el socio correcto?
Hirschmann ofrece cursos de certificación, no
solo en sus productos, sino también sobre la
base de tecnología pura para proporcionarle
la máxima tranquilidad y confianza en la
capacidad de su asociado.
¿Y si la aplicación requiere condiciones
técnicas especiales?
Para los requisitos técnicos, cada proveedor
suministra los productos en diferentes
versiones para cumplir con rangos adicionales
de temperatura, protección contra el agua,
especificaciones eléctricas, etc. Las hojas de
datos contienen la especificación y usted
puede elegir el equipo correcto. Asimismo,
puede solicitar ayuda a la organización de
ventas. Belden puede ayudarle durante toda
la vida útil de su proyecto. Belden-Ayuda-
Poco-o-Mucho.
¿Existen reglamentos nacionales a
considerar?
Tenga en cuenta los reglamentos nacionales
aplicables a la utilización de antenas antes
de considerar cualquier otro criterio.
Puede encontrar información adicional
sobre aprobaciones, certificaciones y
autodeclaraciones en los manuales de usuario
de los dispositivos WLAN. Antes de utilizar
las antenas, consulte siempre el capítulo
“Instrucciones de seguridad” del manual de
usuario de cada dispositivo WLAN.
Relevante para el uso en EE.UU. y Canadá:
Antenas conformes a FCC Para la utilización
de dispositivos WLAN en EE.UU. y Canadá
– valor característico de EE.UU. para
aprobaciones de país – se requiere un permiso
para la utilización de antenas. Las tablas de
la Guía de antenas Hirschmann le ofrecen un
Resúmen de las antenas6 aprobadas.
Referencias
1, 3, 4 Wireless LANs by Jörg Rech, ISBN
3-936931-04-6
2 http://www.excitingip.com/409/usingdirectional-
and-omni-directional-antennasin-
wireless-networks
5 O´Reilly 802.11 Wireless Networks, ISBN
0-596-00183-5
6 Hirschmann Antenna Guide – Wireless
LAN – Antennas of the BAT family, Release 09
05/2015

Belden Competence Center
Al aumentar la complejidad de las soluciones de comunicación y conectividad, también han
aumentado los requisitos de diseño, implementación y mantenimiento de estas soluciones. Para
los usuarios, adquirir y comprobar el conocimiento experto más reciente juega un papel decisivo
en este aspecto. Como socio fiable para soluciones integrales, Belden ofrece un soporte experto
en asesoramiento, diseño y asuntos técnicos, así como cursos de capacitación en productos y
tecnología, y todo desde un mismo lugar: el Belden Competence Center. Además, le ofrecemos
la calificación indicada para cada especialidad mediante el primer programa de certificación de
redes industriales del mundo. El conocimiento actualizado del fabricante, una red de servicios
internacional y el acceso a especialistas externos le garantizan el mejor soporte posible para sus
productos. Sin importar la tecnología que utilice, puede contar con nuestro soporte completo, desde
la implementación hasta la optimización de todos los aspectos de sus operaciones diarias.

Acerca de Belden
Belden Inc., líder global en soluciones de transmisión de señales de “punta a punta” de alta calidad, ofrece una
amplia gama de productos diseñados para cumplir con las necesidades de infraestructuras de red decisivas
en los proyectos de los mercados industrial, empresarial y de transmisión. Con unas soluciones innovadoras
orientadas a una transmisión segura y fiable de la rápidamente creciente cantidad de información, audio
y vídeo necesarios para las aplicaciones actuales, Belden se encuentra en el centro de la transformación
mundial hacia un mundo conectado. Fundada en 1902, la empresa tiene su sede en San Luis, EE.UU., y dispone
de instalaciones de producción en Norteamérica, Sudamérica, Europa y Asia.
Para más información, visítenos en www.beldensolutions.com y síganos en Twitter @BeldenInc.