La tecnologia Bluetooth Low Energy (BLE) è attualmente ampiamente discussa nel mondo dell'IoT. È lecito supporre che la maggior parte di noi abbia una buona conoscenza di cosa sia il Bluetooth e di come funzioni concretamente. Come tutte le tecnologie wireless, il BLE è più adatto a determinate applicazioni rispetto ad altre. Ma cosa determina esattamente la portata di questi fili invisibili di connettività? Se state pensando di utilizzare il Bluetooth o il BLE nell'IoT, ecco un elenco dei principali fattori che influenzano la portata del Bluetooth, insieme ad alcuni metodi per estenderla.
Prima di analizzare i fattori, sarebbe utile definire cosa intendiamo per "portata" nella tecnologia Bluetooth. La portata Bluetooth è la distanza massima alla quale due dispositivi abilitati Bluetooth possono scambiare dati in modo affidabile. Spesso si traduce nella distanza massima che possono avere le cuffie Bluetooth da un telefono o nella distanza massima che possono avere i 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.
Ciò significa che la portata pratica e affidabile tra dispositivi Bluetooth va da oltre un chilometro a meno di un metro.
La portata ridotta del Bluetooth non è un bug, è una caratteristica. Utilizza la banda a 2.4 GHz con bassa potenza di trasmissione per risparmiare batteria. Questo ne limita la portata per impostazione predefinita. Il Bluetooth è pensato per le reti personali (PAN), connettendo i dispositivi nelle vicinanze. La tecnologia utilizza lo spettro diffuso a salto di frequenza (FHSS), che è interessante ma ne limita anche la portata.
Quando si considerano le caratteristiche di una rete basata sulla radio come il Bluetooth, entrano in gioco tre fattori chiave:
Tuttavia, è difficile dare priorità a tutti e tre, perché le leggi della fisica impongono chiari limiti. Ad esempio, sebbene il Bluetooth possa raggiungere elevate velocità di trasferimento dati, ciò spesso comporta un maggiore consumo energetico e una portata ridotta.
Ci occupiamo principalmente di due tipi di Bluetooth: Bluetooth Classic e Bluetooth Low Energy (BLE). Il Bluetooth Classic trasmette in tutte le direzioni a una velocità di trasmissione dati piuttosto elevata. In genere ha una portata di circa 10 metri, mentre il BLE può raggiungere fino a 100 metri trasmettendo a brevi intervalli con una potenza maggiore ma velocità di trasmissione dati inferiori.
Nel 2016 è stato presentato il Bluetooth 5.0, basato sulla versione 4.2 ma con una velocità di trasmissione raddoppiata. La nuova versione è più adatta al posizionamento indoor e alle comunicazioni IoT. LE Coded PHY è la modalità a lungo raggio del Bluetooth introdotta con il Bluetooth 5.0. In pratica, estende la portata dei dispositivi BLE standard da 30-100 metri fino a un chilometro.
La modalità Bluetooth® Long Range aumenta la portata senza aumentare la potenza di uscita, utilizzando il "Phy codificato" con codici di correzione degli errori (FEC). Questo riduce la velocità di trasmissione dati a 500 kbps o 125 kbps.
Il PHY codificato LE offre due velocità di trasmissione dati:
Utilizzando PHY codificato è possibile raggiungere una portata fino a 1 km in terreni collinari e diverse centinaia di metri in condomini.
| Bluetooth v2.1- v3.0 | Bluetooth LE v4.2 | Bluetooth 5 LE 2 Mbps | Bluetooth 5 LE Long Range | |
| Portata | Fino a 100m | Fino a 100m | Fino a 50m | Fino a 400m |
| Portata massima (spazio libero) | Intorno a 100m (all'aperto) | Intorno a 100m (all'aperto) | Intorno a 50m (all'aperto) | Intorno a 1,000m (all'aperto) |
La portata di una rete Bluetooth non è definita da un singolo fattore, ma piuttosto da una 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.
La potenza di trasmissione è forse il fattore più diretto che influenza la portata. In parole povere, maggiore è la potenza di trasmissione, maggiore è la distanza che il segnale Bluetooth può percorrere. Tuttavia, impostare la potenza di trasmissione al massimo non è così semplice.
Nelle applicazioni IoT, in particolare quelle che utilizzano dispositivi BLE alimentati a batteria, il consumo energetico è un problema critico. Una maggiore potenza di trasmissione spesso si traduce in un consumo più rapido della batteria.
Sebbene la potenza di trasmissione sia un fattore importante, 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.
Il design dell'antenna gioca un ruolo cruciale nella portata del Bluetooth. Il tipo, le dimensioni e l'orientamento dell'antenna possono influire significativamente sulla potenza e sulla direzionalità del segnale. Nei dispositivi IoT Bluetooth compatti, i limiti di spazio spesso limitano le opzioni di antenna. In genere, un'antenna esterna può garantire risultati migliori in termini di portata. Il nostro nuovo gateway USB MKGW7 ne è un ottimo esempio.
La versione di Bluetooth utilizzata nei dispositivi IoT può influire significativamente sulla portata. Il Bluetooth 5.0, introdotto nel 2016, ha apportato notevoli miglioramenti alle capacità di portata.
La funzionalità Long Range del Bluetooth 5.0, che utilizza PHY codificato, può quadruplicare la portata rispetto alle versioni precedenti. Tuttavia, questo avviene a scapito di una velocità di trasmissione dati ridotta. Per molte applicazioni IoT, questo compromesso è ampiamente giustificato.
L'ambiente in cui operano i dispositivi BLE ha un impatto enorme sulla portata del Bluetooth. Il loro comportamento varia a seconda dell'ambiente di utilizzo, che può essere esterno, industriale, ufficio o domestico. Il Bluetooth SIG offre un calcolatore di portata stimata che permette di ottenere una stima della portata in base a determinati criteri, come l'attenuazione del segnale in diversi ambienti.
All'aperto, in uno spazio aperto, è possibile ottenere una portata fino a qualche centinaio di metri. All'interno degli edifici, ostacoli come muri di cemento, oggetti metallici e persino rumori possono limitare la portata di trasmissione del segnale radio. In condizioni di utilizzo normali, 70 metri rappresentano una stima affidabile della portata raggiungibile tra due dispositivi BLE in ambienti chiusi.
Idealmente, un segnale BLE viaggia in linea retta dall'antenna del beacon BLE attraverso l'atmosfera fino ai ricevitori intelligenti. Tuttavia, in presenza di un ostacolo tra il beacon BLE e il ricevitore (ambiente NLOS), il segnale BLE viene bloccato durante la trasmissione, causando diversi gradi di attenuazione a seconda del tipo di ostacolo. Questa attenuazione è molto più forte di quella causata dall'atmosfera, influenzando ulteriormente la portata di trasmissione effettiva dei dispositivi BLE.
La portata del Bluetooth non riguarda solo le specifiche tecniche: anche le normative e la conformità la influenzano. Autorità come la FCC negli Stati Uniti e l'ETSI in Europa stabiliscono limiti alla potenza massima dei segnali Bluetooth e alle frequenze utilizzabili. Ciò significa che le aziende che producono dispositivi Bluetooth devono rispettare queste normative, che a loro volta possono influire sulla portata effettiva dei dispositivi. Il Bluetooth è progettato per funzionare senza interferenze con altre tecnologie wireless e per coesistere con altri utenti nello spettro radio.
Ora che abbiamo esaminato i fattori che influenzano la portata BLE, diamo un'occhiata ad alcune strategie per ottimizzare le distribuzioni IoT:
Amplificazione del segnale
Un modo diretto per estendere la portata del Bluetooth è aumentare la potenza di trasmissione. Tuttavia, questo approccio può ridurre significativamente la durata della batteria e deve essere valutato in base ai limiti normativi regionali, con gli Stati Uniti che consentono fino a +20 dBm e l'UE solo +10 dBm. Nonostante queste difficoltà, aumentare la potenza del trasmettitore è spesso più efficiente di altri metodi, offrendo latenza, throughput e configurazioni più semplici, in particolare negli ambienti industriali, dove un aumento di 3 dB può effettivamente raddoppiare la portata.
Utilizzo della tecnologia Long-Range in Bluetooth 5
Bluetooth 5 ha introdotto la tecnologia LE Long Range/CODED PHY per estendere la portata senza aumentare la potenza, utilizzando la Forward Error Correction (FEC), che ripete i pacchetti 2 o 8 volte per migliorare l'affidabilità dei messaggi sulle lunghe distanze. Questo può aumentare la portata fino a 4 volte, sebbene riduca la velocità di trasmissione e aumenti il consumo energetico. È come ripetere le parole a un pubblico distante anziché urlare a voce più alta.
Gli schemi di codifica S2 e S8 offrono velocità di trasmissione dati di 500 kbps e 125 kbps. Affinché questa tecnica sia efficace, entrambi i dispositivi BLE comunicanti devono supportare CODED PHY; in caso contrario, i vantaggi potrebbero non essere sfruttati.
Sfruttare un ripetitore
L'introduzione di ripetitori può estendere la portata del Bluetooth captando e ritrasmettendo i messaggi. Questo funziona al meglio nelle reti di dispositivi fissi, dove il posizionamento dei ripetitori può essere ottimizzato. Tuttavia, questo approccio può essere costoso e complesso, richiedendo hardware, alimentazione e installazione aggiuntivi e introducendo problemi di sicurezza poiché tutti i dispositivi devono fidarsi del ripetitore. La gestione dei ripetitori richiede un posizionamento e una configurazione accurati e potrebbe essere necessario un nuovo provisioning in caso di sostituzione.
Utilizzo della rete Bluetooth Mesh
Le reti Bluetooth Mesh estendono significativamente la copertura sfruttando tutti i nodi della rete. In questa configurazione, ogni dispositivo della rete funge da punto di inoltro. Riceve i pacchetti di dati, verifica se sono destinati al destinatario previsto e, in caso contrario, li inoltra ai dispositivi vicini. I nodi alimentati a batteria possono risparmiare energia grazie alla funzione Low Power Node e alla modalità "amico", che consente loro di rimanere inattivi più a lungo e di effettuare controlli intermittenti. Questa soluzione è ideale per aree o edifici di grandi dimensioni in cui più anchor e gateway distribuiti collegano dispositivi Bluetooth e server cloud. La tecnologia BLE mesh multipunto-multipunto ha migliorato notevolmente le capacità di rete del Bluetooth, offrendo elevata affidabilità ed efficace prevenzione dei singoli punti di guasto.
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Ottimizzare la portata del Bluetooth non significa solo raggiungere distanze maggiori, ma anche creare reti IoT più intelligenti ed efficienti che offrano un valore reale. Che si tratti di tracciare risorse in un grande magazzino , creare un sistema domotico reattivo o monitorare le condizioni di temperatura nella catena del freddo, la scelta di dispositivi BLE affidabili è fondamentale per il successo.
MOKO SMART si impegna a offrire dispositivi Bluetooth avanzati e affidabili che rendano possibili i progetti IoT. Dalla nostra vasta gamma di beacon BLE ai nostri gateway efficienti e sensori intelligenti, disponiamo di una catena completa di prodotti BLE per soddisfare le vostre esigenze.
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