comment atteindre des plages de plus de 1 Km en utilisant Bluetooth Low Energy

Introduction

Bluetooth Low Energy a été conçu pour fournir une consommation d’énergie et un coût considérablement réduits tout en maintenant des plages de communication

Cependant, ce n’est plus le cas. Avec la version Bluetooth 5.0, un nouveau mode « longue portée” a été introduit. Vous pouvez maintenant atteindre des portées de plus de 1 kilomètre en utilisant Bluetooth Low Energy!, Le mode longue portée est non seulement utile pour étendre la portée d’une connexion Bluetooth ou la découverte de publicités, mais il aide également à obtenir une communication plus robuste dans les environnements RF bruyants et dans les zones avec de nombreux obstacles. Des exemples d’applications incluent:

• Système de contrôle À Distance et d’identification à distance pour drones
• capteurs de surveillance déployés sur des fermes de grande surface
• rendant les connexions plus robustes dans les zones présentant de nombreux obstacles, comme dans les environnements industriels.,

Maintenant, vous pourriez être intéressé à en savoir plus sur le mode longue portée et à l’implémenter dans votre propre application, mais vous ne voulez pas parcourir les 3000 pages du document de spécification Bluetooth afin de comprendre les étapes et les configurations nécessaires pour cela!

Eh bien, vous êtes au bon endroit.

dans ce post, je vais vous guider à travers les étapes nécessaires pour configurer le mode longue portée dans votre application Bluetooth Low Energy., Nous allons passer en revue tous les détails techniques de fond du mode Longue Portée, les concepts les plus importants, puis couvrir les étapes nécessaires pour configurer chacun des dispositifs centraux et périphériques pour communiquer en utilisant le mode longue portée.

nous allons passer en revue:

• qu’est-ce que le Mode Longue Portée (codé PHY)?,
• détails techniques de Coded PHY
• détails des paquets codés PHY
• Restrictions appliquées lors de L’utilisation de Coded PHY
• implémentation de Coded PHY pour les périphériques BLE Central et BLE

Une fois que vous aurez fini de lire ce billet de blog, vous comprendrez les concepts généraux et les étapes nécessaires pour implémenter des plages de plus de 1 km sur vos périphériques BLE et BLE Central.

Mode Longue Portée dans la version Bluetooth 5.0

le mode Longue Portée, également connu sous le terme technique codé PHY, a été introduit dans Bluetooth 5.,0 et permet à la connectivité Bluetooth de s’étendre au-delà de 30-100 pieds à des portées au-delà même de 1 kilomètre! Afin de prendre en charge ce nouveau mode, des modifications matérielles ont été nécessaires. Plus précisément, le niveau de sensibilité de l’extrémité du récepteur requis a été augmenté pour prendre en charge chacun des deux modes de PHY codé (S=2 et S=8):

la chose importante à garder à l’esprit est que lors du choix D’un chipset/module Bluetooth LE pour les périphériques centraux et périphériques, vous devez vous assurer qu’ils prennent en charge PHY codé (pas seulement Bluetooth 5.0 ou version ultérieure, car la prise en charge du mode longue portée est facultative selon la spécification Bluetooth 5.0).

qu’est-ce que le mode Longue Portée (codé PHY)?

Un nouveau PHY a été introduit dans Bluetooth Version 5.0 appelé codé PHY. Les données brutes sont toujours transmises au débit de 1Mbps., Mais les données incluent la redondance dans les données utilisateur qui ramène le débit à 500 Kbps ou 125 Kbps, selon la configuration utilisée.

Les débits de données référencés ci-dessus incluent la surcharge de paquets, les en-têtes et d’autres données, de sorte que le débit effectif de données utilisateur est finalement inférieur au débit de données brutes. La redondance permet au récepteur de récupérer les données d’origine à partir des erreurs qui se produisent dans la transmission à l’aide d’algorithmes de Correction D’erreur directe (FEC) plutôt que d’augmenter la puissance d’émission. Plus la redondance est élevée, plus la probabilité de récupération de données., C’est pourquoi le taux de PHY est généralement indiqué en unités de Mégasymbols par seconde.

Voici les différents PHYs et tarifs disponibles dans la version Bluetooth 5.,–> où chaque bit est représenté par le symbole 1 –> 1 Mbits / s

Codé PHY: 1 Megasymbols/seconde> où chaque bit est représenté par 2 ou 8 symboles –> 500 Kbit / s, ou 125 Kbit / s

2M PHY: 2 Megasymbols/seconde> où chaque bit est représenté par le symbole 1 –> 2 Mbit / s

Et voici un tableau résumant les différences:

dans ce post, nous allons nous concentrer sur le PHY codé et comment il peut être utilisé pour atteindre des portées allant jusqu’à 1,5 kilomètres de ligne de visée!,rotocols à 0, 4 et 8dBm transmettent des paramètres de puissance

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détails techniques

avant D’entrer dans la façon dont nous pouvons concevoir notre application Bluetooth LE pour utiliser PHY codé, passons en revue quelques détails techniques importants sur ce mode.,

codage

• Il existe deux options de configuration lors de L’utilisation de PHY codé:
  1. S=2, où 2 symboles représentent chaque bit de données –> débit de données de 500 Kbps
  2. S=8, où 8 symboles représentent chaque bit de données –> 125 débit de données kbps
• Le terme codage fait référence à l’ajout de redondance aux données transmises. Il utilise la correction D’erreur directe (FEC) pour permettre au récepteur de détecter les erreurs et de récupérer les données d’origine sans avoir à retransmettre les données.,
• Le codage consiste en deux processus effectués sur les données avant leur transmission:
  • Les données sont codées par le codeur convolutif FEC.
  • Les données de sortie de l’étape précédente sont réparties par un mappeur de motifs.
• Il y a un impact significatif du choix de PHY codé sur le temps de radio-on, la consommation d’énergie et le cycle de service pour la planification et la coexistence sur l’air. Pour cette raison, une attention particulière doit être exercée lors du choix du PHY codé et du schéma de codage spécifique (S=2 ou S=8)., S = 8 représente le pire scénario provoquant une taille de paquet presque 8 fois supérieure à celle du chier 1m PHY.

format de paquet PHY codé

Les paquets PHY ble codé ont un format différent de celui des PHYs standard de 1m ou 2m. Jetons un coup d’oeil au format de paquet:

Remarques importantes sur le Format:

• le préambule n’est jamais codé, ce qui permet de détecter le paquet dans n’importe quel mode (codé PHY, 1m PHY ou 2M PHY) avant de déterminer quel mode a été utilisé pour les données restantes du paquet.
• FEC bloc 1 est toujours codé avec S=8,
• FEC bloc 2 est codé avec S=2 ou S=8 (selon la configuration).
• Le CI (indicateur de codage) est utilisé pour indiquer quel schéma de codage est utilisé dans le bloc FEC 2 (S=2 ou S=8).,
• Les valeurs de synchronisation montrées indiquent combien de temps il faut pour transmettre le champ spécifique dans le paquet.

Voici un tableau qui montre la taille et la durée de chacun des champs dans le paquet (tiré de la spécification Bluetooth 5.1):

le tableau montre les différences entre l’utilisation de s=2 et s=8 pour le codage. Remarquez comment le choix affecte le temps radio-on, qui à son tour affecte la consommation d’énergie.,

Advertising State

pour que deux périphériques Bluetooth LE se connectent avec succès en mode Longue Portée, un périphérique (le périphérique) devra annoncer sur le PHY codé tandis que l’Autre (Le Central) devra être configuré pour rechercher des publicités sur le PHY codé.

dans ce mode, des publicités étendues sont utilisées. La façon dont cela fonctionne est par la publicité sur les canaux de publicité primaires, où ces publicités de canal principal pointent vers des publicités de canal secondaire qui contiennent les informations publicitaires nécessaires pour établir une connexion.,

comprendre les types de publicité appropriés utilisés dans le mode PHY codé est crucial pour développer des applications BLE pouvant fonctionner en mode longue portée. Sans la configuration correcte, un périphérique Central BLE ne pourra pas découvrir et / ou se connecter à un périphérique BLE via le PHY codé.

nous allons examiner les différents types de Publicité utilisés dans Codé PHY:

cela signifie que les demandes de connexion sur PHY codé ne se produisent pas sur les canaux de publicité primaires, mais plutôt sur les canaux de publicité secondaires. Les types PDU utilisés dans ce cas sont les types AUX_CONNECT_REQ et AUX_CONNECT_RSP.

procédure de mise à jour PHY

Bluetooth offre la possibilité de passer à L’utilisation de différents PHYs lors d’une connexion. Différents PHYs peuvent également être utilisés dans chaque direction entre les deux appareils connectés., Par exemple, cette procédure peut être utilisée pour passer à l’utilisation du PHY codé après que deux appareils se sont connectés à l’aide du PHY 1m standard, ce qui permet aux deux appareils d’augmenter la plage à laquelle ils maintiennent la connexion.

la procédure de mise à jour PHY peut être lancée par le maître ou l’esclave après l’établissement de la connexion.,

Quand le Maître initie la connexion:

• Master envoie LL_PHY_REQ PDU
• Esclave répond avec LL_PHY_RSP PDU
• Master répond alors à cette avec LL_PHY_IND PDU

Lorsque l’Esclave initie la connexion:

• Esclave envoie LL_PHY_REQ PDU
• Master répond alors à cette avec LL_PHY_IND PDU

Le PDU comprend à la fois le préféré de transmettre et de recevoir PHYs.,

étapes de mise en œuvre de Coded PHY

ensuite, nous allons passer en revue les étapes nécessaires à la mise en œuvre de Coded PHY sur un Central Bluetooth LE et un périphérique Bluetooth le. Nous allons également passer en revue les types de publicité qui permettent d’établir une connexion. Enfin, nous allons passer en revue les détails de chaque étape et nous concentrer sur les étapes générales de mise en œuvre selon la spécification Bluetooth officielle.

configuration périphérique

1. configurée pour utiliser le PHY codé comme PHY configuré pour la publicité primaire et secondaire.,
2. configuré pour utiliser la publicité étendue, ce qui est nécessaire pour le mode PHY codé.
3. configurez la publicité principale pour utiliser le type ADV_EXT_IND (Extended Connectable nonscannable undirected advertising).
4. définissez l’indicateur de mode découvrable général du chier sur 1.

configuration Centrale

1. configurez la centrale pour accepter et découvrir les paquets de publicité étendus (puisque la publicité sur le PHY codé nécessite l’utilisation de publicités étendues).
2. lorsque vous démarrez le processus d’analyse/découverte, assurez-vous que le Central est configuré pour analyser le PHY codé.,
3. assurez-vous que lorsqu’un Périphérique est découvert, que les paramètres de connexion sont configurés pour utiliser le code PHY lorsqu’une connexion est établie. Cela garantit que lorsque les périphériques se connectent, ils continuent à utiliser le PHY codé au lieu de passer à un autre PHY (en utilisant la demande de mise à jour PHY).

avec ces étapes, votre application BLE devrait pouvoir annoncer, découvrir, connecter et transférer des données en utilisant le code PHY.,

prochaines étapes: implémenter codé PHY pour les périphériques BLE Central et BLE sur le chipset Nordic nRF52840

naturellement, la prochaine étape serait de parcourir les étapes détaillées de mise en œuvre et de test de votre codé PHY pour les périphériques BLE Central et BLE sur le chipset Nordic nRF52840. Si vous souhaitez en savoir plus sur la configuration de plages de plus de 1 kilomètre pour vos périphériques Bluetooth LE et vos périphériques Bluetooth Le Central sur le chipset nRF52840, consultez la toute nouvelle Bluetooth Developer Academy.,

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résumé

dans cet article, nous avons passé en revue les étapes dont vous aurez besoin pour atteindre des distances de plus de 1 kilomètre pour la communication entre deux appareils BLE.,

Nous avons couvert:

• Les détails techniques de Coded PHY, y compris les deux configurations différentes disponibles (S=2 et S=8)
• Les détails des paquets codés PHY
• les restrictions appliquées lors de L’utilisation de Coded PHY
• Les différentes procédures liées à Coded PHY
• Les étapes requises pour implémenter Coded PHY pour les périphériques BLE Central et BLE