¿Cuáles son los factores que afectan el alcance del Bluetooth en IoT?

El Bluetooth de bajo consumo (BLE) es un tema muy debatido en el mundo del IoT. Es de suponer que la mayoría comprendemos bien qué es Bluetooth y cómo funciona en la práctica. Como todas las tecnologías inalámbricas, el BLE es más adecuado para ciertas aplicaciones que para otras. Pero ¿qué determina exactamente hasta dónde se extienden estos hilos invisibles de conectividad? Si estás considerando usar Bluetooth o BLE en el IoT, aquí tienes una lista de los principales factores que influyen en el alcance del Bluetooth, junto con algunos métodos para ampliarlo.

¿Qué es el alcance de Bluetooth?

Antes de analizar los factores, conviene definir qué entendemos por "alcance" en la tecnología Bluetooth. El alcance Bluetooth es la distancia máxima a la que dos dispositivos con Bluetooth pueden intercambiar datos de forma fiable. Esto suele traducirse en la distancia entre los auriculares Bluetooth y un teléfono o en la distancia entre los sensores Bluetooth y una puerta de enlace en el mundo del IoT.

La SIG de Bluetooth dice que el alcance de Bluetooth es:

De más de un kilómetro a menos de un metro.

Es decir, el alcance práctico y fiable entre dispositivos Bluetooth va desde más de un kilómetro hasta menos de un metro.

¿Por qué el alcance del Bluetooth es corto?

El corto alcance del Bluetooth no es un defecto, sino una característica. Utiliza la banda de 2.4 GHz con baja potencia de transmisión para ahorrar batería. Esto limita su alcance por diseño. El Bluetooth está diseñado para redes de área personal (PAP), que conectan dispositivos a tu alrededor. Esta tecnología utiliza espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), lo cual es interesante, pero también limita el alcance.

Al considerar las características de una red basada en radio como Bluetooth, entran en juego tres factores clave:

• Autonomía
• La velocidad de transferencia de datos
• Consumo de energía

Sin embargo, es difícil priorizar las tres, ya que las leyes de la física imponen claras limitaciones. Por ejemplo, si bien Bluetooth puede alcanzar altas velocidades de transferencia de datos, esto suele conllevar un mayor consumo de energía y un alcance reducido.

Trabajamos principalmente con dos tipos de Bluetooth: Bluetooth clásico y Bluetooth de bajo consumo (BLE). Bluetooth Classic transmite en todas direcciones a una velocidad de datos bastante alta. Suele tener un alcance de unos 10 m, mientras que BLE puede alcanzar hasta 100 m transmitiendo en ráfagas cortas a mayor potencia, pero con velocidades de datos más bajas.

Bluetooth 5 y modo de largo alcance

En 2016, se presentó Bluetooth 5.0, basado en la versión 4.2, pero duplicando su velocidad de transmisión. Esta nueva versión es más adecuada para el posicionamiento en interiores y las comunicaciones IoT. LE Coded PHY es el modo de largo alcance de Bluetooth introducido en Bluetooth 5.0. Básicamente, amplía el alcance de los dispositivos BLE estándar de 30 a 100 metros (XNUMX-XNUMX pies) a hasta un kilómetro.

El modo Bluetooth® de largo alcance aumenta el alcance sin aumentar la potencia de salida, utilizando una capa física codificada con códigos de corrección de errores de reenvío (FEC). Esto compensa la velocidad de datos, reduciéndola a 500 kbps o 125 kbps.

La PHY codificada LE ofrece dos velocidades de datos:

• S2: Cada bit usa dos símbolos, lo que reduce a la mitad la velocidad de datos a 500 kbps (la mitad de 1 M). El alcance se duplica en comparación con la capa física LE de 1 M.
• S8: Cada bit usa ocho símbolos, lo que reduce la velocidad de datos a 125 kbps (1 M dividido entre 8). El alcance se cuadruplica en comparación con LE 1 M PHY.

Usando PHY codificado se puede lograr un alcance de hasta 1 km en terrenos montañosos y varios cientos de metros en edificios de departamentos.

Factores clave que afectan el alcance de Bluetooth en IoT

El alcance de una red Bluetooth no se define por un solo factor, sino por la suma de varios. Estos incluyen factores técnicos, dispositivos de hardware BLE, entorno de transmisión de señales, cumplimiento normativo, etc., que definen la capacidad básica de una red Bluetooth para transmitir datos a ciertas distancias.

Técnico flos actores

• Potencia del transmisor

La potencia de transmisión es quizás el factor más directo que afecta el alcance. En pocas palabras, cuanto mayor sea la potencia de transmisión, mayor será la distancia que alcance la señal Bluetooth. Sin embargo, no es tan sencillo como ajustar la potencia de transmisión al máximo.

En las aplicaciones de IoT, en particular las que utilizan dispositivos BLE alimentados por batería, el consumo de energía es un factor crítico. Una mayor potencia de transmisión suele implicar una descarga más rápida de la batería.

• Sensibilidad del receptor

Si bien la potencia de transmisión recibe mucha atención, la sensibilidad del receptor es igualmente importante. Un receptor más sensible puede captar señales Bluetooth más débiles, lo que aumenta el alcance de forma efectiva sin un consumo adicional de energía. Los avances en el diseño de chips han mejorado significativamente la sensibilidad del receptor en los últimos años.

• Diseño y colocación de antenas

El diseño de la antena juega un papel crucial en el alcance del Bluetooth. El tipo, tamaño y orientación de la antena pueden afectar significativamente la intensidad y la direccionalidad de la señal. En dispositivos IoT Bluetooth compactos, las limitaciones de espacio suelen limitar las opciones de antena. Normalmente, el diseño de una antena externa ofrece mejores resultados de alcance. Nuestra nueva puerta de enlace USB MKGW7 es un excelente ejemplo.

• Versiones y funciones de Bluetooth

La versión de Bluetooth El uso de Bluetooth en dispositivos IoT puede afectar significativamente el alcance. Bluetooth 5.0, introducido en 2016, trajo consigo mejoras importantes en las capacidades de alcance.

La función de largo alcance de Bluetooth 5.0, que utiliza PHY codificado, puede cuadriplicar el alcance en comparación con versiones anteriores. Sin embargo, esto conlleva una reducción en la velocidad de datos. Para muchas aplicaciones de IoT, esta compensación vale la pena.

Medio ambiente flos actores

El entorno en el que operan sus dispositivos BLE tiene un gran impacto en el alcance de Bluetooth. Su comportamiento varía según el entorno de uso, desde exteriores, industriales y de oficina hasta el hogar. Bluetooth SIG ofrece... calculadora de rango estimado a través del cual se puede obtener un rango estimado relacionado con ciertos criterios como la pérdida de trayectoria en varios entornos.

En exteriores, en espacios abiertos, se puede obtener un alcance de hasta varios cientos de metros. Dentro de edificios, obstáculos como paredes de hormigón, objetos metálicos e incluso el ruido limitan el alcance de transmisión de la señal de radio. En condiciones normales de uso, 70 metros es una estimación fiable del alcance alcanzable entre dos dispositivos BLE en interiores.

Idealmente, una señal BLE viaja en línea recta desde la antena de la baliza BLE a través de la atmósfera hasta los receptores inteligentes. Sin embargo, cuando existe una obstrucción entre la baliza BLE y el receptor (entorno NLOS), la señal BLE se bloquea durante la transmisión, lo que genera distintos grados de atenuación según el tipo de obstrucción. Esta atenuación es mucho mayor que la causada por la atmósfera, lo que afecta aún más el alcance de transmisión efectivo de los dispositivos BLE.

Factores regulatorios y de cumplimiento

El alcance de Bluetooth no se limita a las especificaciones técnicas; la normativa y el cumplimiento normativo también lo determinan. Autoridades como la FCC en EE. UU. y el ETSI en Europa establecen límites sobre la intensidad de las señales Bluetooth y las frecuencias que pueden utilizar. Esto significa que las empresas que fabrican dispositivos Bluetooth deben cumplir estas normas, lo que a su vez puede afectar el alcance práctico de los dispositivos. Su objetivo es operar sin interferencias con otras tecnologías inalámbricas y coexistir con otros usuarios en el espectro radioeléctrico.

4 métodos para optimizar el alcance de Bluetooth en IoT

Ahora que hemos cubierto los factores que influyen en el alcance de BLE, veamos algunas estrategias para optimizar sus implementaciones de IoT:

Amplificación de la señal

Una forma directa de ampliar el alcance del Bluetooth es aumentar la potencia de transmisión. Sin embargo, este enfoque puede reducir significativamente la duración de la batería y debe sopesarse con los límites regulatorios regionales: EE. UU. permite hasta +20 dBm y la UE solo +10 dBm. A pesar de estos desafíos, aumentar la potencia del transmisor suele ser más eficiente que otros métodos, ya que ofrece mejor latencia, mayor rendimiento y configuraciones más sencillas, especialmente en entornos industriales, donde un aumento de 3 dB puede duplicar el alcance.

Uso de largo alcance en Bluetooth 5

Bluetooth 5 introdujo LE Long Range/CODED PHY para ampliar el alcance sin aumentar la potencia mediante la corrección de errores de reenvío (FEC), que repite los paquetes de 2 a 8 veces para mejorar la fiabilidad de los mensajes a distancia. Esto puede aumentar el alcance hasta 4 veces, aunque reduce el rendimiento y aumenta el consumo de energía. Es similar a repetir palabras para un público distante en lugar de gritar más fuerte.

Los esquemas de codificación S2 y S8 ofrecen velocidades de datos de 500 kbps y 125 kbps. Para que esta técnica sea eficaz, ambos dispositivos BLE que se comunican deben ser compatibles con CODED PHY; de lo contrario, podrían no obtenerse los beneficios.

Aprovechar un repetidor

La instalación de repetidores puede ampliar el alcance de Bluetooth al captar y retransmitir mensajes. Esto funciona mejor en redes de dispositivos estacionarios, donde se puede optimizar la ubicación de los repetidores. Sin embargo, este enfoque puede ser costoso y complejo, ya que requiere hardware, alimentación e instalación adicionales, y presenta problemas de seguridad, ya que todos los dispositivos deben confiar en el repetidor. La gestión de los repetidores requiere una colocación y configuración cuidadosas, y podrían necesitar reaprovisionamiento si se reemplazan.

Utilizando la red Bluetooth Mesh

Malla Bluetooth Las redes amplían significativamente la cobertura al aprovechar todos los nodos de la red. En esta configuración, cada dispositivo actúa como punto de retransmisión. Reciben paquetes de datos, determinan si son el destinatario previsto y, de no ser así, los reenvían a dispositivos cercanos. Los nodos alimentados por batería pueden ahorrar energía gracias a la función de nodo de bajo consumo y al modo "amigo", lo que les permite permanecer inactivos durante más tiempo y conectarse de forma intermitente. Esto es ideal para áreas o edificios grandes donde múltiples anclajes y puertas de enlace distribuidos conectan dispositivos Bluetooth y servidores en la nube. La tecnología de malla BLE multipunto a multipunto ha mejorado sustancialmente las capacidades de red de Bluetooth, ofreciendo alta fiabilidad y una prevención eficaz de puntos únicos de fallo.

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