Quali sono i fattori che influenzano la portata del Bluetooth nell'IoT

Bluetooth a bassa energia (DIVENNE) è ampiamente discusso nel mondo IoT in questo momento. È lecito ritenere che la maggior parte di noi abbia una buona conoscenza di cosa sia il Bluetooth e di come funzioni praticamente. Come tutte le tecnologie wireless, BLE è più adatto per alcune applicazioni rispetto ad altre. Ma cosa determina esattamente quanto lontano possono estendersi questi fili invisibili di connettività?? Se stai pensando di utilizzare Bluetooth o BLE nell'IoT, ecco un elenco dei principali fattori che influenzano la portata del Bluetooth insieme ad alcuni metodi per estenderla.

Qual è la portata del Bluetooth

Prima di discutere i fattori, sarebbe utile definire cosa intendiamo con “gamma” nella tecnologia Bluetooth. La portata Bluetooth è la distanza massima alla quale due dispositivi abilitati Bluetooth possono scambiare dati in modo affidabile. Questo spesso si traduce in quanto lontano possono essere le tue cuffie Bluetooth da un telefono o quanto sono distanti i tuoi sensori Bluetooth da un gateway nel mondo IoT.

Il Bluetooth SIG afferma che la portata del Bluetooth è:

Da più di un chilometro a meno di un metro.

Questo è, il pratico, la portata affidabile tra i dispositivi Bluetooth va da oltre un chilometro a meno di un metro.

Perché la portata del Bluetooth è breve

Il breve raggio d’azione del Bluetooth non è un bug, è una caratteristica. Utilizza il 2.4 Banda GHz con bassa potenza di trasmissione per risparmiare batteria. Ciò limita la sua portata in base alla progettazione. Bluetooth è pensato per le reti personali, connettendo i dispositivi intorno a te. La tecnologia utilizza lo spettro diffuso con salto di frequenza (FHSS), il che è bello ma limita anche la portata.

Quando si considerano le caratteristiche di una rete radio come Bluetooth, entrano in gioco tre fattori chiave:

• Gamma
• Velocità di trasferimento dati
• Consumo di energia

però, è difficile dare priorità a tutti e tre perché le leggi della fisica impongono chiare limitazioni. Per esempio, mentre il Bluetooth può raggiungere velocità di trasferimento dati elevate, questo spesso comporta un maggiore consumo energetico e una portata ridotta.

Ci occupiamo principalmente di due tipi di Bluetooth: Bluetooth classico e Bluetooth a basso consumo energetico (DIVENNE). Bluetooth Classic trasmette in tutte le direzioni ad una velocità dati piuttosto elevata. Solitamente ha un raggio d'azione di circa 10 metri, mentre BLE può raggiungere fino a 100 m trasmettendo in brevi raffiche a una potenza maggiore ma con velocità dati inferiori.

Bluetooth 5 e modalità a lungo raggio

Nel 2016, Bluetooth 5.0 è stato svelato, basandosi sulla versione 4.2 ma raddoppiando la velocità di trasmissione. La nuova versione è più adatta per il posizionamento indoor e le comunicazioni IoT. LE Coded PHY è la modalità Bluetooth a lungo raggio introdotta in Bluetooth 5.0. Fondamentalmente estende la gamma dei normali dispositivi BLE da 30-100 piedi fino a un chilometro.

La modalità Bluetooth® Long Range aumenta la portata senza aumentare la potenza di uscita, utilizzando “FIS codificato” con codici di correzione degli errori inoltrati (FEC). Questo si contrappone alla velocità dei dati, riducendolo a 500 kbps o 125 kbps.

Il PHY codificato LE offre due velocità dati:

• S2: Ogni bit utilizza due simboli, dimezzare la velocità dati a 500 kbps (metà di 1 milione). La portata raddoppia rispetto a LE 1M PHY.
• S8: Ogni bit utilizza otto simboli, riducendo la velocità dati a 125 kbps (1M diviso per 8). La portata è quadruplicata rispetto a LE 1M PHY.

Utilizzando il PHY codificato è possibile raggiungere fino a 1 autonomia di km in terreni collinari e diverse centinaia di metri nei condomini.

Fattori chiave che influenzano la portata del Bluetooth nell'IoT

La portata di una rete Bluetooth non è definita solo da un singolo fattore, ma è piuttosto la somma di diversi fattori. Questi includono fattori tecnici, Dispositivi hardware BLE, ambiente di trasmissione del segnale, conformità, e così via, che definiscono in realtà la capacità di base di una rete Bluetooth di trasmettere dati su determinate distanze.

Tecnico fattori

• Potenza del trasmettitore

La potenza di trasmissione è forse il fattore più semplice che influenza la portata. In poche parole, maggiore è la potenza di trasmissione, più lontano può viaggiare il segnale Bluetooth. però, non è così semplice come impostare la potenza di trasmissione al massimo.

Nelle applicazioni IoT, in particolare quelli che utilizzano dispositivi BLE alimentati a batteria, il consumo di energia è una preoccupazione critica. Una maggiore potenza di trasmissione spesso significa un consumo più rapido della batteria.

• Sensibilità del ricevitore

Mentre la potenza di trasmissione riceve molta attenzione, la sensibilità del ricevitore è altrettanto importante. Un ricevitore più sensibile può captare segnali Bluetooth più deboli, aumentando efficacemente la portata senza ulteriore consumo energetico. I progressi nella progettazione dei chip hanno migliorato significativamente la sensibilità del ricevitore negli ultimi anni.

• Progettazione e posizionamento dell'antenna

Il design dell'antenna gioca un ruolo cruciale nella portata del Bluetooth. Il tipo, taglia, e l'orientamento dell'antenna possono avere un impatto significativo sulla forza e sulla direzionalità del segnale. Nei dispositivi IoT Bluetooth compatti, i vincoli di spazio spesso limitano le opzioni dell'antenna. Generalmente, il design dell'antenna esterna può avere risultati di portata migliori. Il nostro nuovo gateway USB MKGW7 è un eccellente esempio.

• Versioni e funzionalità Bluetooth

Il versione di Bluetooth utilizzato nei dispositivi IoT può avere un impatto significativo sulla portata. Bluetooth 5.0, introdotto in 2016, ha apportato importanti miglioramenti alle capacità di portata.

Funzionalità a lungo raggio di Bluetooth 5.0, che utilizza PHY codificato, può quadruplicare la portata rispetto alle versioni precedenti. però, ciò avviene a scapito di una velocità dati ridotta. Per molte applicazioni IoT, ne vale la pena.

Ambientale fattori

L'ambiente in cui operano i tuoi dispositivi BLE ha un impatto enorme sulla portata del Bluetooth. Si comporteranno diversamente a seconda degli ambienti in cui vengono utilizzati, da esterno, industriale, e dall'ufficio a casa. Il Bluetooth SIG offre un calcolatore della portata stimata attraverso il quale è possibile ottenere un intervallo stimato relativo a determinati criteri come la perdita di percorso in vari ambienti.

All'aperto, in uno spazio aperto, puoi ottenere una portata fino a poche centinaia di metri. All'interno degli edifici, ostacoli come muri di cemento, oggetti metallici, e anche il rumore limiterà la portata di trasmissione del segnale radio. Nell'uso normale, 70 metri è una stima affidabile della portata raggiungibile tra due dispositivi BLE in ambienti chiusi.

Idealmente, un segnale BLE viaggia in linea retta dall'antenna beacon BLE attraverso l'atmosfera fino ai ricevitori intelligenti. però, quando c'è un ostacolo tra il beacon BLE e l'estremità ricevente (Ambiente NLOS), il segnale BLE verrà bloccato durante la trasmissione, portando a vari gradi di attenuazione a seconda del tipo di ostruzione. Questa attenuazione è molto più forte di quella causata dall'atmosfera, influenzando così ulteriormente l'effettiva portata di trasmissione dei dispositivi BLE.

Fattori normativi e di compliance

La portata del Bluetooth non è solo una questione di specifiche tecniche – anche le normative e la conformità lo modellano. Autorità come la FCC negli Stati Uniti e l'ETSI in Europa stabiliscono limiti sulla potenza dei segnali Bluetooth e sulle frequenze che possono utilizzare. Ciò significa che le aziende che producono dispositivi Bluetooth devono rispettare queste regole che a loro volta possono influenzare la portata pratica dei dispositivi. È destinato a funzionare senza interferenze con altre tecnologie wireless e a coesistere con altri utenti nello spettro radio.

4 metodi per ottimizzare la portata del Bluetooth nell'IoT

Ora che abbiamo trattato i fattori che influenzano la portata del BLE, diamo un'occhiata ad alcune strategie per ottimizzare le implementazioni IoT:

Amplificare il segnale

Un modo diretto per estendere la portata del Bluetooth è aumentare la potenza di trasmissione. però, questo approccio può ridurre significativamente la durata della batteria e deve essere bilanciato con i limiti normativi regionali, con gli Stati Uniti. consentendo fino a +20 dBm e l’U.E. soltanto +10 dBm. Nonostante queste sfide, aumentare la potenza del trasmettitore è spesso più efficiente di altri metodi, offrendo una migliore latenza, portata, e configurazioni più semplici, particolare in ambienti industriali, dove un aumento di 3 dB può effettivamente raddoppiare la portata.

Utilizzo del lungo raggio in Bluetooth 5

Bluetooth 5 introdotto LE Long Range/CODED PHY per estendere la portata senza aumentare la potenza utilizzando la correzione degli errori in avanti (FEC), che ripete i pacchetti 2 o 8 volte per migliorare l'affidabilità del messaggio sulle distanze. Ciò può aumentare la portata fino a 4 volte, sebbene riduca la produttività e aumenti il ​​consumo energetico. È analogo a ripetere le parole per un pubblico distante invece di gridare più forte.

Gli schemi di codifica S2 e S8 offrono velocità dati di 500 kbps e 125 kbps. Affinché questa tecnica sia efficace, entrambi i dispositivi BLE comunicanti devono supportare CODED PHY; altrimenti, i benefici potrebbero non essere realizzati.

Sfruttare un ripetitore

L'introduzione dei ripetitori può estendere la portata del Bluetooth raccogliendo e ritrasmettendo i messaggi. Funziona meglio nelle reti di dispositivi stazionari, dove il posizionamento del ripetitore può essere ottimizzato. però, questo approccio può essere costoso e complesso, che richiedono hardware aggiuntivo, energia, e installazione, e introduce problemi di sicurezza poiché tutti i dispositivi devono fidarsi del ripetitore. La gestione dei ripetitori richiede un posizionamento e una configurazione accurati, e potrebbero aver bisogno di un nuovo provisioning se sostituiti.

Utilizzo della rete Bluetooth Mesh

Mesh Bluetooth le reti estendono significativamente la copertura sfruttando tutti i nodi di una rete. In questa configurazione, ogni dispositivo nella rete funge da punto di ritrasmissione. Ricevono pacchetti di dati, determinare se sono il destinatario previsto, e se no, inoltrarli ai dispositivi vicini. I nodi alimentati a batteria possono risparmiare energia attraverso la funzione Low Power Node e “amico” modalità, che consente loro di dormire più a lungo e di effettuare il check-in a intermittenza. Questo è l'ideale per aree o edifici di grandi dimensioni in cui più ancoraggi e gateway distribuiti collegano dispositivi Bluetooth e server cloud. La tecnologia mesh BLE da multipunto a multipunto ha sostanzialmente migliorato le capacità di rete di Bluetooth, offrendo elevata affidabilità e prevenzione efficace dei singoli punti di guasto.

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Come funziona MOKO’s I dispositivi Bluetooth funzionano

Ottimizzare la portata del Bluetooth non significa solo arrivare più lontano, ma anche creare in modo più intelligente, reti IoT più efficienti che offrano valore reale. Sia che tu stia monitorando le risorse in un ambiente di grandi dimensioni magazzino, creare un sistema di casa intelligente reattivo, o monitorare le condizioni di temperatura in una catena del freddo, scegliere dispositivi BLE affidabili è la chiave del tuo successo.

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