Zwiększanie zasięgu połączenia Bluetooth LE

Zwiększenie zasięgu sieci bezprzewodowej to zaleta praktycznie w każdym zastosowaniu. Rozważmy na przykład duży magazyn z siecią mesh Bluetooth i system śledzenia lokalizacji cennych aktywów. Jeśli każde urządzenie w sieci może komunikować się na większe odległości, do pokrycia powierzchni magazynu potrzeba mniej urządzeń, co zmniejsza złożoność systemu i zmniejsza koszty sprzętu i konserwacji.

Ale co dokładnie rozumiemy przez ‘zasięg' łączności bezprzewodowej? W przypadku protokołu bezprzewodowego takiego jak Bluetooth LE, zasięg jest określany przez maksymalną odległość, na jaką dwa urządzenia nadawczo-odbiorcze mogą wysyłać i odbierać poprawne pakiety danych.

Trudno też określić dokładny zasięg konkretnej aplikacji, wpływają bowiem na niego dziesiątki czynników, od oczywistych, takich jak tłumienie sygnału przez ściany, sufity i meble, po bardziej skomplikowane, takie jak utrata propagacji i zanikanie wielościeżkowe. Aby jeszcze trochę skomplikować to zagadnienie, zauważmy kolejne czynniki, takie jak zakłócenia z innych źródeł, korzystających z tej samej co Bluetooth LE częstotliwości 2,4 GHz, takich jak Wi-Fi, które również negatywnie odbijają się na zasięgu. Jedynym sposobem sprawdzenia rzeczywistej wydajności jest często eksperymentowanie z aplikacją w warunkach rzeczywistych.

Kompromisy rozszerzania zasięgu Bluetooth LE

Zakładając, że warunki otoczenia są niezmienne, sprawdzonym sposobem na zwiększenie zasięgu jest głośniejsze ‘krzyczenie’ nadajnika radiowego i uważniejsze ‘słuchanie’ odbiornika. Technicznie oznacza to zwiększenie mocy wyjściowej nadajnika i zwiększenie czułości odbiornika. Kombinację mocy wyjściowej nadawania i czułości odbioru nazywamy ‘budżetem łącza’, który mierzony jest w decybelach (dB). Zwiększony budżet łącza zazwyczaj prowadzi do zwiększenia zasięgu.

Istnieją jednak pewne kompromisy; na przykład do zwiększenia budżetu łącza potrzebne jest więcej energii, co wpływa na żywotność systemów zasilanych bateryjnie. Jednak w powyższym przykładzie z magazynem kompromis będzie się opłacał, ponieważ koszt większych baterii lub częstszej ich wymiany z nawiązką przeważy oszczędność wynikająca z mniejszej liczby urządzeń, niezbędnych do pokrycia powierzchni magazynu.

Zwykle węzły sieci Bluetooth są zasilane z sieci, więc zużycie energii jest tutaj mniej ważne, ale nadal trzeba pamiętać o zaletach wynikających z mniejszej liczby węzłów i mniejszej złożoności. Kompromis jest również warty rozważenia w przypadkach, gdy wymagania aplikacji dotyczące zasięgu od punktu do punktu są bliskie lub przekraczają możliwości standardowego bezprzewodowego SoC.

Zalety solidnego połączenia Bluetooth LE

Zwiększenie budżetu łącza przynosi korzyści wykraczające poza jedynie sam zasięg. Na przykład w przypadku dwóch identycznych systemów, które łączą się bezprzewodowo na określoną odległość, urządzenie z większym budżetem łącza będzie mniej podatne na zakłócenia i nieprawidłowe lub całkowicie utracone pakiety.

W szczególnie wymagających środowiskach RF lub gdy urządzenie działa blisko swojego standardowego limitu zasięgu, zwiększenie mocy i czułości transmisji może być bardziej efektywne energetycznie niż ciągłe wysyłanie uszkodzonych pakietów. Dzieje się tak, ponieważ zużycie energii w Bluetooth LE osiąga swój szczyt, gdy transceivery korzystają z anteny, tak więc ponowne wysłanie pakietów stanowi duże obciążenie baterii.

Co więcej, zwiększony budżet łącza może pomóc przezwyciężyć problemy w sytuacji, w której przestrzeń ogranicza konstrukcję anteny urządzenia bezprzewodowego, prowadząc do zmniejszenia wzmocnienia sygnału. Przykładem może być moduł bezprzewodowy przeznaczony do bardzo kompaktowych aplikacji.

Co to jest PA/LNA?

Jak wspomniano powyżej, można zwiększyć budżet łącza bezprzewodowego ‘krzycząc głośniej i uważniej słuchając’. Nadawanie jest wzmacniane przez wzmacniacz mocy (power amplifier, PA), a odsłuch wzmacnia wzmacniacz niskoszumowy (low noise amplifier, LNA). PA wzmacnia sygnał wyjściowy, podczas gdy LNA wzmacnia słaby sygnał przychodzący bez dodatkowych szumów.

Firma Nordic niedawno wprowadziła układ wzmacniania zasięgu PA/LNA, który doskonale uzupełnia układy SoC firmy nRF52 i nRF53. Moduł nRF21540 RF front-end (FEM) zapewnia regulowane wzmocnienie PA do +21 dB, dzięki czemu projektant może dopasować maksymalną moc do wymagań prawnych. Kluczowymi atrybutami LNA są wzmocnienie sygnału +13 dB (jest to miara tego, jak bardzo słaby sygnał jest wzmacniany) i poziom szumów 2,7 dB (noise figure, NF, miara ilości szumu dodawanego podczas wzmacniania). Nordic wydał także rozbudowany zestaw deweloperski nRF21540 (DB), umożliwiający projektantom testowanie aplikacji z wykorzystaniem możliwości RF FEM, który obejmuje zestaw rozwojowy nRF21540 (DK) i zestaw ewaluacyjny nRF21540 (EK).

Jak działa nRF21540?

Teoretycznie RF FEM firmy Nordic może zwiększyć zakres od 6,3 do 10x przez łącze symetryczne (tj. z obydwoma końcami łącza wykorzystującymi RF MES i używający tego samego SoC od Nordic) w porównaniu z podobnymi aplikacjami bez RF FEM. Ostateczny wzrost zasięgu zależy od SoC używanego w aplikacji.

Ale teoria to jedno, a praktyczne zastosowania to drugie. Inżynierowie z Nordic przeprowadzili testy porównawcze na zewnątrz między łączem symetrycznym przy użyciu SoC nRF52840 z wbudowanym PA, ustawionym na +8 dBm a łączem symetrycznym z tym samym SoC, uzupełnionym przez firmowy RF FEM ustawiony na +20 dBm. W pierwotnej konfiguracji uzyskano zasięg na zewnątrz 1,6 km, natomiast dzięki zastosowaniu RF FEM zwiększono go do 4,3 km. Na zasięg w pomieszczeniach wpływa znacznie więcej przeszkód i zmiennych czynników, co utrudnia takie bezpośrednie porównania. Jednak z pewnością można stwierdzić, że w podobnych aplikacjach RF FEM znacznie zwiększy budżet łącza, zapewniając bardziej niezawodne połączenie bezprzewodowe.

Istnieje wiele sposobów na zwiększenie zasięgu bezprzewodowego o małej mocy, ale niektóre są bardziej praktyczne niż inne. Na przykład kierownik magazynu raczej nie będzie burzył ścian, zmieniał konfiguracji kilometrów regałów i wyłączał Wi-Fi tylko po to, by zwiększyć zasięg urządzeń śledzących zasoby. Projektant może radykalnie zwiększyć te same funkcje śledzenia zasobów, uzupełniając bezprzewodowy SoC małym (4 x 4 mm) nRF21540 RF FEM.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Nordic Semiconductor

Autor: Pal Kastnes