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Comprendre la portée de Bluetooth

Determining radio range is a complex topic as there are many factors that will influence the attenuation of the signal in practical applications.  If we were floating in space in the coldness of interstellar medium, radio range would be simple to predict.  We live in the comfort of well-built houses and concrete condos and surrounded by plenty of vegetation and terrain.  Those conditions are great for humans, but hinder a radio wave trying to make its way through those obstacles.

Its also interesting to realize that our microwave oven works at the same frequencies than Bluetooth.  It operates at 2450 MHz which is the middle of the frequency band that has been given around the world as our playground to fit many of our sensors. This in addition to movie streaming Wi-Fi networks, cordless phones and a plethora of other accessories that interfere with its operation.

Il s’agit d’un environnement difficile pour les ondes radio. En ayant de nouvelles capacités pour étendre la portée, on ne fait que renforcer la perception que Bluetooth ne fonctionne que pour les réseaux à courte portée.

Les fondements de la liaison radio

Pour établir une liaison radio, nous devons demander à l’émetteur d’envoyer le signal, avec une puissance définie, à une antenne. Celle-ci convertira ce signal électrique en une onde électromagnétique émanant du produit et débutant son voyage à travers l’air, les murs, les corps et rebondissant sur les surfaces métalliques. L’onde est alors captée par l’antenne du récepteur et est à nouveau convertie en signal électrique pouvant être décodé par le récepteur qui y récupérera les informations qu’il contient.

Si nous voulons faire une analogie, nous pourrions comparer l’émetteur-récepteur à quelqu’un qui crie. Le niveau de puissance de l’émetteur est l’intensité du cri. Lorsqu’on donne une direction à une antenne, cela revient à mettre ses mains autour de sa bouche pour diriger le son dans une direction spécifique. L’atténuation du cri par l’air, les murs et les autres obstacles est la façon dont le son est amorti par l’environnement. Les échos, quant à eux, seraient l’équivalent d’une onde radio qui heurte un obstacle métallique. La dernière partie serait l’oreille de l’auditeur (antenne) capable de capter ce faible son (y compris les échos), jumelée au cerveau de l’auditeur qui serait le circuit récepteur chargé de décoder le message.

Puissance de sortie

Si vous voulez que le signal se rende plus loin; criez plus fort!

De nombreuses radios Bluetooth envoient généralement leurs messages en utilisant seulement quelques milliwatts de puissance. Ce n’est pas très fort, mais tout à fait adapté à une communication de courte portée. De plus, la faible transmission de puissance contribue à réduire la charge de la batterie. À titre de comparaison, la transmission d’un téléphone intelligent typique est environ mille fois plus puissante. La spécification Bluetooth permet une certaine puissance, mais se borne à de nombreux chipsets à faible coût qui manquent de puissance au niveau des capacités de sortie. En effet, les spécifications Bluetooth offrent la sortie de classe 1 avec un niveau de puissance de 100 mW. Il s’agit du niveau de puissance nécessaire afin de maximiser la portée des capteurs Bluetooth. Ce qui n’est pas différent des autres technologies radio. Envoyez un signal puissant et il se rendra plus loin.

Pour ce qui est des appareils IoT, nous sommes généralement limités par les considérations de coût, la durée de vie de la batterie et des réglementations entourant la radio. Afin de prendre en charge Bluetooth Low Energy à plus longue portée, un amplificateur de puissance peut être intégré dans la conception, comme le démontrent certains modules de longue portée Fanstel. Généralement, les capteurs IoT fonctionnant sur batteries ou solutions de récupération d’énergie visent à traiter une partie des données localement afin d’éviter d’expédier trop d’envois. Si le tout est bien optimisé, l’utilisation d’une plus grande puissance pour la transmission de données aura un impact sur la durée de vie de la batterie, bien qu’elle puisse être habilement maîtrisée et bénéficier d’une facilité de déploiement. Fanstel long-range modules. Generally, IoT sensors operating on batteries or energy harvesting solutions aim at digesting some of the data locally such as to avoid sending too many packets. If that is well optimized, using more power for data transmission will have an impact on battery life, but it can be kept well under control and benefit from ease of deployment.

La sensibilité du récepteur

Un facteur clé pour établir une bonne liaison radio est la sensibilité du récepteur. En d’autres termes, la capacité de la radio du récepteur à capter le signal lorsque celui-ci est faible.

Pour faire une seconde analogie, c’est comme si vous essayez d’écouter une lointaine station de radio. À un moment donné, on entend encore de la musique, mais il y a beaucoup de grésillement et de bruit. Si ces derniers augmentent, vous êtes désormais incapable de comprendre le sens des paroles. La sensibilité radio est donc essentiellement la capacité du récepteur à donner un sens au message lorsqu’il y a beaucoup de bruit et à récupérer les informations numériques.

Le récepteur est limité par sa sensibilité à extraire des informations. La radio Bluetooth moderne peut récupérer des informations à partir du signal reçu avec moins d’un milliardième de milliwatt d’énergie (oui, il reste très peu d’énergie). Cependant, lors d’un fonctionnement proche des limites du récepteur, la présence d’interférences à proximité du récepteur aura un effet très drastique sur la perte de données puisque le signal d’intérêt est très faiblement présent. La plupart des chipsets modernes ont une bonne sensibilité du récepteur et c’est une caractéristique importante lors du choix d’une solution. Nous voulons que les récepteurs ne soient pas trop perturbés par des interférences (localement par le circuit ou par d’autres émetteurs à proximité). Ainsi, ils pourront capter le signal sur de plus longues distances. C’est pourquoi il est avantageux de comprendre les détails de la fiche technique d’un fabricant.

Les obstacles

Il y a une grande différence lorsque la radio et l’antenne fonctionnent dans un espace ouvert ou lorsqu’elles sont entourées d’objets. Comme pour un faisceau de lumière, un objet métallique réfléchit les ondes radio. Il est fondamentalement difficile pour les signaux radio, notamment ceux de la gamme de radiofréquences de Bluetooth, d’échapper aux structures métalliques ou métallisées (y compris les miroirs) qui auront tendance à atténuer ou à bloquer les signaux Bluetooth. Si les murs et les obstacles intérieurs similaires ne bloquent pas complètement le signal, ils auront un effet d’atténuation. Lorsque de longues distances sont prises en considération, même un seul mur peut avoir un effet considérable sur la portée. Il convient donc que les systèmes de capteurs extérieurs à la longue portée aient, autant que possible, une ligne de vue dégagée vers les capteurs. Si cela n’est pas possible, une marge d’atténuation doit être ajoutée afin de garantir que la plage dans l’application reste réalisable.

Le compromis entre la vitesse et la portée

Nous pourrions décrire le nouveau Coded PHY longue portée Bluetooth Low Energy comme quelqu’un qui parle plus lentement et plus intelligiblement (en plus de se répéter beaucoup pendant l’échange). Transférer la même quantité d’information prendra ainsi plus de temps, mais cette dernière est plus à même d’être distinguée du bruit et elle est plus robuste aux interférences. Par conséquent, le Coded PHY prend en charge une plus grande portée.

Afin de couvrir plus de distance, les extensions longue portée Bluetooth Low Energy encodent leur signal à l’aide de méthodes fournissant une correction d’erreur et de redondance. Toutefois, l’utilisation de ce type de codage a un impact sur le débit d’information. En effet, plus le codage est robuste, plus la plage est grande, mais l’envoi des informations se fera plus lentement. En réduisant efficacement le débit de données effectif de 1 Mo/s à 500 ko/s, le signal est effectivement construit à partir de plusieurs copies du message, de sorte que la distance atteinte peut être 2x ou 4x la distance de base (en utilisant l’encodage régulier des données).

Pour de nombreuses applications IoT, les données des capteurs sont généralement limitées. Par exemple, la plupart des capteurs que nous construisons chez Motsai comprendront divers algorithmes capables de compter les répétitions, effectuer une analyse de fréquence ou utiliser des méthodes similaires pour réduire les informations qui devront être transportées par la liaison radio. Ainsi, en utilisant des débits de données plus faibles, les nouvelles extensions longue portée de Bluetooth permettent aux données du capteur d’atteindre de plus longues distances. Les radios restent peu coûteuses et conservent leur compatibilité avec la modulation Bluetooth standard, qui se trouve dans tous les téléphones portables et les tablettes modernes.

En Résumé

Vous pouvez projeter obtenir une bonne portée radio si celle-ci peut envoyer un signal fort (puissance de sortie élevée) et si le récepteur correspondant a une bonne sensibilité. Le gain peut être étendu en utilisant un codage permettant que toute perturbation pendant la transmission puisse être corrigée et que les données soient récupérées par le récepteur. Le compromis est que la radio devra émettre plus longtemps et donc, utiliser plus d’énergie pour ce faire.


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