Jaki jest faktyczny zasięg BLE?

Przed wprowadzeniem technologii Bluetooth 5 istniał tylko jeden sposób na zwiększenie zasięgu produktu Bluetooth Low Energy (BLE): poprzez zwiększenie mocy transmisji radiowej. Jednak zwiększenie mocy negatywnie wpływa na zużycie energii produktu. Wysokie prądy szczytowe mogą również uniemożliwiać korzystanie z niektórych typów baterii, nakładając w ten sposób ograniczenia na rozmiar i/lub cenę urządzenia.

Specyfikacja Bluetooth 5 wprowadziła szereg ulepszeń, w tym tryb ‘dalekiego zasięgu’ 125 kb/s lub 500 kb/s, umożliwiający zwiększenie zasięgu kosztem zmniejszonej szybkości transmisji danych i zwiększonego średniego zużycia prądu. Zwiększono również maksymalną moc wyjściową z +10 dBm do +20 dBm, jeszcze bardziej zwiększając potencjalny zakres.

Testujemy daleki zasięg Bluetooth

Z powodu wielu pytań i niejasności dotyczących tej funkcji, nasz zespół programistów Nordic Semiconductor przetestował układ nRF52840 Rev 1, przedstawiając udokumentowane wyniki. Jeśli chcesz samemu wypróbować opracowany przez nas test, pełny proces z dołączonym projektem / plikami binarnymi jest dostępny na blogu DevZone. Ale jeśli interesują Cię tylko wyniki, czytaj dalej!

Zrozumieć zjawisko tłumienia ścieżki

Aby dobrze zrozumieć kontekst eksperymentu, najpierw trzeba przybliżyć zagadnienie tłumienia (utraty) ścieżki. Jest to zmniejszenie gęstości mocy fali (tj. siły sygnału), które występuje przy propagacji fali radiowej na coraz większą odległość.

Gęstość mocy fal radiowych podlega prawu odwrotnych kwadratów: w teorii, gdy rozchodzą się z ‘pojedynczego punktu’ (tj. gdy wymiary anteny są bardzo małe w porównaniu z odległością propagacji), podwojenie odległości skutkuje zmniejszeniem gęstości energii w punkcie odbiornika do zaledwie ¼. Jednak w rzeczywistości tłumienie ścieżki jest jeszcze większe ze względu na opady atmosferyczne, wilgotności, odbicia sygnału itp., które dodatkowo pogarszają jakość sygnału. Biorąc więc pod uwagę fakt, że minimalna gęstość sygnału jest niezbędna do efektywnego odbioru, zasięg można zwiększyć, dodając moc wyjściową – pozwala to zachować minimalną gęstość energii na dłuższych dystansach. 

Bluetooth 5 dalekiego zasięgu w pigułce

Funkcja dalekiego zasięgu umożliwia zwiększenie zasięgu bez zwiększania mocy wyjściowej. Odbywa się to poprzez zastosowanie procedury Forward Error-correcting Codes (FEC) do transmisji na poziomie sprzętowym (fizycznym). Stąd też termin ‘Coded PHY’. Oczywiście, odbywa się to kosztem szybkości transmisji danych.

To tak, jakby zwiększyć czułość odbiornika poprzez dostrojenie nadajnika. Teoretycznie dla trybu dalekiego zasięgu Bluetooth należy spodziewać się 12dB poprawy budżetu łącza radiowego w przypadku kodowanego PHY przy 125Kbps w porównaniu do trybu 1Mbps. Powinno to dać 4-krotny wzrost zasięgu. W rzeczywistości jednak standardowe urządzenia Bluetooth obsługujące tryb dalekiego zasięgu osiągają wzrost o około 8 dB, co powinno podwoić zasięg. Ale zobaczmy, jak poszedł nasz test.

Kilka uwag o procesie testowania

Miejsca, w których testujesz duży zasięg, będą miały różne charakterystyki propagacji sygnału i różne tempo utraty ścieżki. Zdecydowaliśmy się przeprowadzić test na zewnątrz, aby wszystko było tak proste, jak to tylko możliwe. Wewnątrz zwykle występuje zbyt wiele czynników ograniczających, które utrudnią wyciągnięcie jakichkolwiek wniosków. 

Przeprowadziliśmy test zasięgu przy zastosowaniu układu Nordic Semiconductor nRF52840 Rev C, używając zarówno 1Mbps PHY, jak i Coded PHY (dalekiego zasięgu) @ 125Kbps, aby zminimalizować wpływ zmiennych losowych na sygnał radiowy, dzięki czemu mogliśmy się skupić wyłącznie na poprawie, jaką funkcja dalekiego zasięgu zapewnia ponad 1Mbps PHY.

Test skupiał się na zasięgu, a nie na zużyciu energii, więc nie był to test zoptymalizowany pod kątem wydajności energetycznej. Staraliśmy się, aby radio było aktywne przez większość czasu i używaliśmy diod LED jako wskaźników wizualnych.

Wyniki

Dla stanów niepodłączonych* (moc 0 dBm Tx), odległość uzyskana dla 1Mbps PHY 0 dBm TX wynosiła 654,92 metra. W przypadku kodowanego PHY 0 dBm TX odległość wynosiła 1300 metrów. Dzięki kodowaniu PHY uzyskaliśmy dwukrotnie większy zasięg.

Dla stanów połączonych** (moc 0 dBm Tx), odległość uzyskana dla 1Mbps PHY 0 dBm TX wyniosła 681,9 metra, natomiast dla kodowanych PHY 0 dBm TX odległość wyniosła 1300 metrów. To ponownie prawie dwukrotny wzrost zasięgu przy kodowaniu PHY w porównaniu do 1 Mb/sw stanie połączonym przy 0 dBm.

W naszym przypadku do pomiaru większego zasięgu musieliśmy wykorzystać lokalizację, która wymuszała propagację sygnału nad morzem, natomiast dla trybu 1Mbps wszystko było zrobione na lądzie ... Innymi słowy, nie byliśmy w stanie stworzyć identycznych warunków dla naszych testów. Spodziewaliśmy się więc 2,5-krotnego wzrostu, ale zamiast tego otrzymaliśmy nieco mniej niż dwukrotny. Czynniki środowiskowe są czymś, na co będziemy zwracać uwagę w przyszłych testach, aby sprawdzić, czy są jakieś konkretne zależności, które możemy zidentyfikować.

Wnioski z testów

Z 1M PHY logi skanera pokazują, że możemy uzyskać pakiety zgłaszania się sygnału o sile około -93 dBm. Z Coded PHY @ 125 Kbps, skaner może nadal wykrywać zgłaszanie się o sile sygnału około -101 dBm. 

Przy wzroście czułości o 6 dBm teoretycznie zasięg powinien się podwoić. W rzeczywistości widzimy, że taki wzrost może nie być osiągalny, ponieważ zależy on od wielu czynników środowiskowych.

Poprawa zasięgu będzie również zależeć od charakterystyk propagacji radiowej, które znajdują się poza kontrolą funkcji BT5. Wszelkie przeszkody znajdujące na ścieżce pogorszą sygnał w pomieszczeniu. Niezależnie od tego, zasięg nadal powinien być zwiększony w porównaniu do 1Mbps PHY, ale dokładnej skali  nie można w prosty sposób zdefiniować.

 * Stany niepodłączone: podczas ustanawiania połączenia lub używane jako beacon.

** Stany połączone: podczas ustanowionego połączenia BLE.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Nordic Semiconductor

Korekta polskiej wersji językowej: Maciej Michna

Maciej.Michna@nordicsemi.no