影響物聯網藍牙範圍的因素有哪些

低功耗藍牙 (成為) 目前在物聯網領域被廣泛討論. 可以肯定的是，我們大多數人都很好地掌握了藍牙是什麼以及它的實際工作原理. 與所有無線技術一樣, BLE 比其他應用更適合某些應用. 但究竟是什麼決定了這些看不見的連接線可以延伸多遠? 如果您正在考慮在 IoT 中使用藍牙或 BLE, 以下列出了影響藍牙範圍的主要因素以及擴展藍牙範圍的一些方法.

藍牙範圍是多少

在討論因素之前, 定義我們的意思是很有用的 “範圍” 在藍牙技術方面. 藍牙範圍是兩個支援藍牙的裝置可以可靠地交換資料的最大距離. 這通常意味著您的藍牙耳機距離手機有多遠，或者藍牙感測器與物聯網世界中的網關的分佈範圍.

藍牙 SIG 表示藍牙範圍是:

從一公里多到一公尺以內.

那是, 實用的, 藍牙設備之間的可靠範圍從一公里到不到一米.

為什麼藍牙範圍短

藍牙的短距離並不是缺陷, 這是一個功能. 它使用 2.4 GHz 頻段低傳輸功率以節省電池. 這在設計上限制了它的範圍. 藍牙適用於個人區域網絡, 連接周圍的設備. 此技術使用跳頻擴頻 (高速高速鋼), 這很酷，但也限制了範圍.

考慮藍牙等基於無線電的網路的特性時, 三個關鍵因素發揮作用:

• 範圍
• 數據傳輸速度
• 能量消耗

然而, 由於物理定律有明顯的限制，因此很難優先考慮這三個因素. 例如, 而藍牙可以實現高資料傳輸速度, 這通常會導致功耗增加和範圍縮小.

我們主要處理兩種類型的藍牙: 經典藍牙和低功耗藍牙 (成為). 經典藍牙以相當高的資料速率向各個方向傳輸. 它的範圍通常約為 10m, 而 BLE 可以透過以較高功率但較低資料速率進行短突發傳輸來達到 100m.

藍牙 5 和遠端模式

在 2016, 藍牙 5.0 被揭幕, 建立在版本之上 4.2 但傳輸速度加倍. 新版本更適合室內定位和物聯網通信. LE Coded PHY 是藍牙中引入的遠端模式 5.0. 它基本上擴展了常規 BLE 設備的範圍 30-100 英尺到一公里.

藍牙®長距離模式可在不提高輸出功率的情況下增加覆蓋範圍, 使用 “編碼物理層” 具有前向糾錯碼 (前向糾錯). 這與數據速率進行權衡, 將其減少到 500 kbps 或 125 kbps.

LE 編碼 PHY 提供兩種資料速率:

• S2: 每個位元使用兩個符號, 將資料速率減半至 500kbps (1M的一半). 與 LE 1M PHY 相比，範圍增加了一倍.
• S8: 每個位元使用八個符號, 將資料速率降低至 125kbps (1M 除以 8). 與 LE 1M PHY 相比，範圍增加了四倍.

使用編碼 PHY 可以實現高達 1 在丘陵地帶可達數公里，在公寓大樓可達數百米.

影響物聯網藍牙範圍的關鍵因素

藍牙網路的範圍不僅僅是由單一因素定義的，而是由多個因素共同決定的. 其中包括技術因素, BLE 硬體設備, 訊號傳輸環境, 遵守, 等等, 它實際上定義了藍牙網路在一定距離內傳輸資料的基本能力.

技術的 F演員

• 發射機功率

發射功率可能是影響範圍最直接的因素. 簡單的說, 發射功率越高, 藍牙訊號傳輸的距離越遠. 然而, 這並不像將發射功率設定為最大那麼簡單.

在物聯網應用中, 特別是那些使用電池供電的 BLE 設備的設備, 功耗是一個關鍵問題. 更高的發射功率通常意味著更快的電池消耗.

• 接收靈敏度

雖然發射功率受到廣泛關注, 接收器靈敏度同樣重要. 更靈敏的接收器可以接收較弱的藍牙訊號, 有效增加射程且無需額外功耗. 近年來，晶片設計的進步顯著提高了接收器靈敏度.

• 天線設計與放置

天線設計在藍牙範圍內起著至關重要的作用. 類型, 尺寸, 天線的方向和方向會顯著影響訊號強度和方向性. 在緊湊型藍牙物聯網設備中, 空間限制通常會限制天線的選擇. 通常, 外接天線設計可以有更好的範圍效果. 我們新推出的 MKGW7 USB 閘道就是一個很好的例子.

• 藍牙版本和功能

這 藍牙版本 在物聯網設備中使用會顯著影響範圍. 藍牙 5.0, 引入於 2016, 航程能力有了重大改進.

藍牙 5.0 的長距離功能, 使用編碼 PHY, 與先前的版本相比，範圍可以增加四倍. 然而, 這是以降低數據速率為代價的. 對於許多物聯網應用, 這種權衡是非常值得的.

環境的 F演員

BLE 裝置的運作環境對藍牙範圍有巨大影響. 根據使用環境的不同，它們的行為也會有所不同, 從室外, 工業的, 以及從辦公室到家. 藍牙 SIG 提供了 估計範圍計算器 透過它可以獲得與某些標準相關的估計範圍，例如各種環境中的路徑損耗.

戶外活動, 在一個空曠的地方, 您可以獲得長達數百公尺的範圍. 建築物內部, 混凝土牆等障礙物, 金屬物體, 甚至噪音也會限制無線電訊號的傳輸範圍. 正常使用時, 70 米是室內兩個 BLE 設備之間可達到的範圍的可靠估計.

理想情況下, BLE 訊號從 BLE 信標天線穿過大氣層直線傳播到智慧接收器. 然而, 當BLE信標和接收端之間有障礙物時 (非視距環境), BLE訊號在傳輸過程中會被阻塞, 根據障礙物的類型導致不同程度的衰減. 這種衰減比大氣造成的衰減強得多, 從而進一步影響BLE設備的有效傳輸範圍.

監理和合規因素

藍牙範圍不僅與技術規格有關 – 法規和合規性也塑造了它. 美國 FCC 和歐洲 ETSI 等機構對藍牙訊號的強度以及可以使用的頻率設定了限制. 這意味著製造藍牙設備的公司必須遵守這些規則，這反過來又會影響設備的實際範圍. 它的目的是在不干擾其他無線技術的情況下運行，並與無線電頻譜中的其他用戶共存.

4 優化物聯網藍牙範圍的方法

現在我們已經介紹了影響 BLE 範圍的因素, 讓我們來看看一些優化物聯網部署的策略:

放大訊號

擴大藍牙範圍的直接方法是增加發射功率. 然而, 這種方法會顯著縮短電池壽命，並且必須與區域監管限制相平衡, 與美國. 允許最多 +20 dBm 和歐盟. 只要 +10 分貝. 儘管面臨這些挑戰, 提高發射機功率通常比其他方法更有效, 提供更好的延遲, 吞吐量, 和更簡單的設置, 特別是在工業環境中, 增加 3dB 可以有效地將範圍加倍.

在藍牙中使用遠距離 5

藍牙 5 推出 LE 長距離/編碼 PHY，透過採用前向糾錯來擴展範圍，而無需提高功率 (前向糾錯), 重複資料包 2 或者 8 提高遠距離訊息可靠性的時間. 這可以將範圍擴大多達 4 次, 儘管它降低了吞吐量並增加了功耗. 這類似於對遠處的觀眾重複單字而不是大聲喊叫.

S2 和 S8 編碼方案提供 500kbps 和 125kbps 的資料速率. 為了使這項技術有效, 兩個通訊 BLE 設備必須支援 CODED PHY; 否則, 帶來的好處可能無法實現.

利用中繼器

引入中繼器可以透過拾取和重新傳輸訊息來擴展藍牙範圍. 這在固定設備網路中效果最佳, 可以優化中繼器放置的位置. 然而, 這種方法可能成本高且複雜, 需要額外的硬體, 力量, 和安裝, 並引入安全性問題，因為所有設備都必須信任中繼器. 管理中繼器涉及仔細的放置和配置, 如果更換，它們可能需要重新配置.

利用藍牙網狀網絡

藍牙網狀網絡 網路透過利用網路中的所有節點顯著擴大覆蓋範圍. 在此配置中, 網路中的每個裝置充當中繼點. 他們接收資料包, 確定他們是否是預期的收件人, 如果沒有, 將它們轉發到附近的設備. 電池供電的節點可以透過低功耗節點功能節省能源， “朋友” 模式, 這讓他們可以睡得更久並間歇性地簽到. 這非常適合多個分散式錨點和網關連接藍牙設備和雲端伺服器的大面積或建築物. 多點對多點BLE mesh技術大幅增強了藍牙的網路能力, 提供高可靠性並有效防止單點故障.

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