So erhöht Bluetooth 5 die mögliche Reichweite einer BLE-Verbindung

| Autor / Redakteur: Espen Wium * / Sebastian Gerstl

Kleiner Chip – große Distanzen: Die Wireless-MCU CC2640R2F wird in verschiedenen Gehäusen angeboten, unter anderem in einem 2,7 x 2,7 mm großen Chip-Scale Package (WCSP).
Kleiner Chip – große Distanzen: Die Wireless-MCU CC2640R2F wird in verschiedenen Gehäusen angeboten, unter anderem in einem 2,7 x 2,7 mm großen Chip-Scale Package (WCSP). (Bild: Texas Instruments)

Durch den Einsatz der richtigen Bluetooth-Low-Energy-MCU und der neuen Coded PHY von Texas Instruments lassen sich effiziente Bluetooth-Verbindungen über Distanzen von mehr als 1,5 km aufbauen.

Mit dem Erscheinen von Version 5.0 der Kernspezifikation ist Bluetooth inzwischen kein ausschließlich für PANs (Personal Area Networks) gedachtes Funkprotokoll mehr. In die Spezifikation wurden drei neue Datenraten aufgenommen, von denen zwei eigens dafür vorgesehen sind, die Reichweite von Bluetooth Low Energy-Verbindungen zu erhöhen. Dies wird die Einrichtung von Netzwerken mit guter Abdeckung sowohl im Indoor- als auch im Outdoor-Bereich ermöglichen und sich gut für IoT-Produkte in der Heim-, Gebäude- und Industrieautomation eignen.

Aber wie groß ist eigentlich die Reichweite einer Bluetooth-5-Funkverbindung? In einer Line-of-Sight-Demo konnte TI zwischen zwei LaunchPad Development Kits mit dem SimpleLink Bluetooth Low Energy Wireless Mikrocontroller CC2640R2F eine Reichweite von 1,5 km erreichen, wobei das neue Coded PHY (PHYsical) Format mit 125 kBit/s zum Einsatz kommt. Diese Zahl findet sich aber nicht im Datenblatt der MCU. Warum?

Ermittlung der Bluetooth-Reichweite

Als Systementwickler und HF-Designer können wir Parameter spezifizieren, die Einfluss auf die Reichweite haben, und können diese in kontrollierten Umgebungen mit verlässlichen, reproduzierbaren Ergebnissen messen. Die Reichweite wird aber erheblich variieren, sobald man HF-Bausteine in die reale Welt entlässt. Denn dort addieren sich zahlreiche Reflexionen, Hindernisse und störende HF-Aktivitäten zu zwei nicht vorhersehbaren Variablen auf, die darüber entscheiden, ob zwischen den gewählten Standorten der Geräte eine Funkverbindung aufgebaut werden kann oder nicht.

Die erste Variable ist der Verlust entlang des Übertragungswegs. Dieser gibt an, welcher Teil der gesendeten Leistung auch beim Empfänger ankommt. Die zweite Variable ist die tatsächliche Empfindlichkeit am Standort des Empfängers. Letztere wird durch die Höhe der störenden HF-Leistung bestimmt, die auf den Empfänger einwirkt. Sind keine Störsignale vorhanden, wird die Empfindlichkeit durch das thermische Hintergrundrauschen beeinflusst und entspricht der im Datenblatt angegebenen Empfindlichkeit.

Ein gängiger Begriff, mit dem die Reichweite eines Funksystems beschrieben wird, ist das Link-Budget (Leistungsübertragungsbilanz). Unter dem Link-Budget versteht man das Verhältnis zwischen Sendeleistung und Empfindlichkeit. In einer Funkverbindung sendet der Sender mit einer bestimmten HF-Sendeleistung, von der ein (meist sehr kleiner) Bruchteil durch die Empfangsantenne aufgenommen und dem Empfänger zugeführt wird. Ist dieser Bruchteil zu gering, ist die empfangene Leistung kleiner als die Empfindlichkeit des Empfängers. In diesem Fall kommt keine Funkverbindung zustande. Das Link-Budget ist deshalb als das Verhältnis zwischen der Sendeleistung und der Empfindlichkeit des Empfängers definiert: Link Budget = TX power / RX sensitivity level.

Der Einfachheit halber wird das Link-Budget normalerweise auf einer logarithmischen Skala in Dezibel (dB) angegeben. Ausgangsleistung und Empfindlichkeit gibt man in der Regel auf einer logarithmischen Skala bezogen auf 1 mW an. Somit gilt: LBdB = TX power (dBm) - RX sensitivity level (dBm). Hieran lässt sich erkennen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, das Link-Budget zu verbessern:

1. Anheben der Ausgangsleistung

2. Verbesserung der Empfindlichkeit des Empfängers

Optimierung der Reichweite

Die Ausgangsleistung zu erhöhen, ist grundsätzlich recht unkompliziert, geht allerdings auf Kosten eines (gelegentlich deutlich) höheren Stromverbrauchs. Hinzu kommen mögliche Probleme mit der Einhaltung behördlicher Vorschriften. Sämtliche gesetzlichen Regelwerke sehen Obergrenzen für die HF-Emissionen und unerwünschte störende Emissionen vor, die aber beide zunehmen, wenn die Sendeleistung erhöht wird.

Die Option zum Verbessern der Empfängerempfindlichkeit wurde von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) gewählt, als Bluetooth 5 mit der Absicht in Angriff genommen wurde, eine viermal größere Funkreichweite zu bieten. Auch wir entschieden uns für diese Option, um Bluetooth Low Energy-Lösungen mit größter Reichweite und geringstem Stromverbrauch anzubieten. Beachten Sie, dass weder von der Bluetooth SIG noch von irgendeinem Hardwareanbieter eine bestimmte Reichweite spezifiziert wird. Wir geben lediglich ein theoretisches Verhältnis auf der Basis einer greifbaren, messbaren Verbesserung der Empfindlichkeit an.

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