cómo lograr rangos de más de 1 Km usando Bluetooth Low Energy

Introducción

Bluetooth Low Energy fue diseñado para proporcionar un consumo de energía y un costo considerablemente reducidos, manteniendo rangos de comunicación similares a Bluetooth Classic.

sin embargo, ese ya no es el caso. Con la versión 5.0 de Bluetooth, se introdujo un nuevo modo de «largo alcance». Ahora puede lograr rangos de más de 1 kilómetro utilizando Bluetooth de baja energía!, El modo de largo alcance no solo es útil para ampliar el alcance de una conexión Bluetooth o descubrir anuncios, sino que también ayuda a lograr una comunicación más robusta en entornos de RF ruidosos y en áreas con muchos obstáculos. Ejemplos de aplicaciones incluyen:

• Control Remoto y sistema de identificación remota para drones
• sensores de monitoreo desplegados en granjas de gran área
• haciendo que las conexiones sean más robustas en áreas con muchos obstáculos, como en entornos industriales.,

ahora, usted puede estar interesado en aprender más sobre el modo de largo alcance y su implementación en su propia aplicación, pero usted no quiere ir a través de las 3000 páginas del documento de especificación de Bluetooth con el fin de averiguar los pasos y configuraciones necesarias para esto!

bueno, has venido al lugar correcto.

en este post, te guiaré a través de los pasos necesarios para configurar el modo de largo alcance en tu aplicación Bluetooth de baja energía., Repasaremos todos los detalles técnicos de fondo del modo de largo alcance, los conceptos más importantes, luego cubriremos los pasos necesarios para configurar cada uno de los dispositivos centrales y periféricos para comunicarse utilizando el modo de largo alcance.

repasaremos:

• ¿Qué es el modo de largo alcance (PHY codificado)?,
• detalles técnicos de PHY codificado
• detalles de paquetes PHY codificados
• restricciones aplicadas al usar PHY codificado
• implementación de PHY codificado para dispositivos periféricos ble Central y BLE

Una vez que termine de leer esta publicación de blog, comprenderá los conceptos generales y los pasos necesarios para implementar rangos de más de 1 km en sus dispositivos periféricos BLE y BLE Central.

El modo de largo alcance en Bluetooth Versión 5.0

El modo de largo alcance, también conocido con el término técnico Coded PHY, se introdujo en Bluetooth 5.,0 y permite que la conectividad Bluetooth se extienda más allá de 30-100 pies a rangos más allá de incluso 1 kilómetro! Para soportar este nuevo modo, se requirieron algunos cambios de hardware. Específicamente, el nivel de sensibilidad del extremo del receptor requerido se incrementó para soportar cada uno de los dos modos de PHY codificado (S=2 y S=8):

lo importante a tener en cuenta es que al elegir un chipset/módulo Bluetooth LE para dispositivos centrales y periféricos, debe asegurarse de que admiten PHY codificado (no solo Bluetooth 5.0 o posterior, ya que el soporte para el modo de largo alcance es opcional según la especificación Bluetooth 5.0).

¿qué es el modo de largo alcance (PHY codificado)?

se introdujo un nuevo PHY en la versión 5.0 de Bluetooth llamado Coded PHY. Los datos brutos todavía se transmiten a razón de 1 Mbps., Pero los datos incluyen redundancia en los datos del usuario, lo que reduce la velocidad a 500 Kbps o 125 Kbps, dependiendo de la configuración utilizada.

las velocidades de datos a las que se hace referencia anteriormente incluyen la sobrecarga de paquetes, encabezados y otros datos, por lo que la velocidad efectiva de datos de usuario es en última instancia inferior a la velocidad de datos sin procesar. La redundancia permite al receptor recuperar los datos originales de los errores que ocurren en la transmisión utilizando algoritmos de corrección de errores hacia adelante (FEC) en lugar de aumentar la potencia de transmisión. Cuanto mayor sea la redundancia, mayor será la probabilidad de recuperar datos., Esta es la razón por la que la tasa PHY se refiere generalmente en unidades de Megasímbolos por segundo.

Aquí están las diferentes PHYs y tasas disponibles en Bluetooth Versión 5.,–>, donde cada bit de datos está representado por 1 símbolo –> 1 Mbps

Codificado PHY: 1 Megasymbols/segundo>, donde cada bit de datos está representada por 2 o 8 símbolos –> 500 Kbps, o 125 Kbps

2M PHY: 2 Megasymbols/segundo>, donde cada bit de datos está representado por 1 símbolo –> 2 Mbps

Y he aquí una tabla que resume las diferencias:

en este post, nos centraremos en el PHY codificado y cómo se puede utilizar para lograr rangos de hasta 1,5 kilómetros de línea de visión!,los rotocols a 0, 4 y 8dBm transmiten configuraciones de potencia

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detalles técnicos

antes de entrar en cómo podemos diseñar nuestra aplicación Bluetooth LE para utilizar PHY codificado, repasemos algunos detalles técnicos importantes sobre este modo.,

Coding

• Hay dos opciones para la configuración cuando se usa PHY codificado:
  1. S=2, donde 2 símbolos representan cada bit de datos –> velocidad de datos de 500 Kbps
  2. S=8, donde 8 símbolos representan cada bit de datos –> 125 velocidad de datos kbps
• El término codificación se refiere a agregar redundancia a los datos que se transmiten. Utiliza la corrección de errores hacia adelante (FEC) para permitir que el receptor detecte errores y recupere los datos originales sin la necesidad de retransmitir los datos.,
• La codificación consiste en dos procesos realizados sobre los datos antes de su transmisión:
  • Los datos son codificados por el codificador convolucional FEC.
  • Los datos de salida del paso anterior se distribuyen mediante un mapeador de patrones.
• hay un impacto significativo de la elección PHY codificada en el tiempo de radio-on, El consumo de energía y el ciclo de trabajo para la programación y la coexistencia en el aire. Debido a esto, se debe ejercer una cuidadosa consideración al elegir la PHY codificada y el esquema de codificación específico (S=2 O S=8)., S = 8 representa el peor de los casos causando casi 8 veces el tamaño del paquete en comparación con el LE 1M PHY.

formato de Paquete PHY codificado

Los paquetes PHY ble codificados tienen un formato diferente al estándar 1m o 2m PHYs. Echemos un vistazo al formato del paquete:

notas importantes sobre el formato:

• El preámbulo nunca está codificado, lo que permite que el paquete se detecte en cualquier modo (PHY codificado, 1M PHY o 2m PHY) antes de determinar qué modo se usó para los datos del paquete restante.
• El bloque FEC 1 siempre está codificado con S = 8,
• El bloque FEC 2 está codificado con S = 2 O S=8 (dependiendo de la configuración).
• El CI (indicador de codificación) se utiliza para indicar qué esquema de codificación se utiliza en el bloque 2 de la FEC (S=2 O S=8).,
• Los valores de tiempo mostrados indican cuánto tiempo se tarda en transmitir el campo específico dentro del paquete.

Aquí hay una tabla que muestra el tamaño y la duración de cada uno de los campos dentro del paquete (tomados de la especificación Bluetooth 5.1):

la tabla muestra las diferencias entre el uso de S=2 y S=8 para la codificación. Observe cómo la elección afecta el tiempo de radio-on, que a su vez afecta el consumo de energía.,

estado publicitario

para que dos dispositivos Bluetooth LE se conecten con éxito en modo de largo alcance, un dispositivo (el periférico) deberá anunciarse en el PHY codificado, mientras que el otro (el Central) deberá configurarse para buscar anuncios en el PHY codificado.

en este modo, se utilizan anuncios extendidos. La forma en que esto funciona es mediante la publicidad en los canales de publicidad primarios, donde estos anuncios de canales primarios apuntan a Anuncios de canales secundarios que contienen la información publicitaria necesaria para establecer una conexión.,

comprender los tipos de publicidad apropiados utilizados en el modo PHY codificado es crucial para desarrollar aplicaciones BLE que puedan operar utilizando el modo de largo alcance. Sin la configuración correcta, un dispositivo Central BLE no podrá descubrir y / o conectarse a un periférico BLE a través de la PHY codificada.

veamos los diferentes tipos de publicidad utilizados en PHY codificado:

esto significa que las solicitudes de conexión en PHY codificado no se producen en los canales de publicidad principales, sino en los canales de publicidad secundarios. Los tipos de PDU utilizados en este caso son los tipos AUX_CONNECT_REQ y AUX_CONNECT_RSP.

procedimiento de actualización de PHY

Bluetooth proporciona la flexibilidad de cambiar a usar diferentes PHY durante una conexión. Diferentes PHYs se pueden utilizar en cada dirección, así como entre los dos dispositivos conectados., Por ejemplo, este procedimiento se puede usar para cambiar a usar el PHY codificado después de que dos dispositivos se hayan conectado utilizando el PHY estándar de 1M, lo que permite que los dos dispositivos aumenten el rango en el que mantienen la conexión.

el procedimiento de actualización PHY puede ser iniciado por el maestro o el esclavo después de que se establezca la conexión.,

Cuando el Maestro inicia la conexión:

• Maestro envía LL_PHY_REQ PDU
• Esclavo responde con LL_PHY_RSP PDU
• Master, a continuación, responde a esto con LL_PHY_IND PDU

Cuando el Esclavo se inicia la conexión:

• Esclavo envía LL_PHY_REQ PDU
• Master, a continuación, responde a esto con LL_PHY_IND PDU

El PDU incluye tanto el preferido de transmitir y recibir PHYs.,

pasos de implementación para PHY codificado

a continuación, pasaremos por los pasos necesarios para implementar PHY codificado en una central Bluetooth LE y un periférico Bluetooth LE. También repasaremos los tipos de publicidad que permiten establecer una conexión. Finalmente, repasaremos los detalles de cada paso y nos centraremos en los pasos generales de implementación de acuerdo con la especificación oficial de Bluetooth.

Configuración periférica

1. configurada para usar PHY codificado como PHY configurado tanto para publicidad primaria como secundaria.,
2. configurada para usar publicidad extendida, que es necesaria para el modo PHY codificado.
3. configure la publicidad principal para usar el tipo ADV_EXT_IND (publicidad extendida conectable no programable No dirigida).
4. establezca el indicador le General Discoverable Mode en 1.

configuración central

1. Configure la Central para aceptar y descubrir paquetes de anuncios extendidos (ya que la publicidad en el PHY codificado requiere el uso de anuncios extendidos).
2. Al iniciar el proceso de exploración/descubrimiento, asegúrese de que la Central esté configurada para escanear en el PHY codificado.,
3. asegúrese de que cuando se descubre un periférico, que los parámetros de conexión están configurados para usar el PHY codificado cuando se inicia una conexión. Esto asegura que cuando los dispositivos se conectan, sigan usando el PHY codificado en lugar de cambiar a otro PHY (usando la solicitud de actualización PHY).

con estos pasos, su aplicación BLE debería ser capaz de anunciar, descubrir, conectar y transferir datos utilizando el PHY codificado.,

próximos pasos: implementar PHY codificado para dispositivos periféricos ble Central y ble en el chipset Nórdico nRF52840

naturalmente, el siguiente paso sería recorrer los pasos detallados para la implementación y prueba de su PHY codificado para dispositivos periféricos ble Central y BLE en el chipset Nórdico Nrf52840. Si está interesado en obtener más información sobre cómo configurar rangos de más de 1 kilómetro para sus dispositivos periféricos Bluetooth LE y Bluetooth LE Central en el chipset nRF52840, consulte la nueva Academia de desarrolladores Bluetooth.,

Más información sobre Bluetooth Developer Academy

resumen

en este post, repasamos los pasos que necesitarás para lograr rangos de más de 1 kilómetro para la comunicación entre dos dispositivos BLE.,

cubrimos:

• Los detalles técnicos de PHY codificado, incluidas las dos configuraciones diferentes disponibles (S=2 y S=8)
• Los detalles de los paquetes PHY codificados
• las restricciones aplicadas al usar PHY codificado
• Los diferentes procedimientos relacionados con PHY codificado
• Los pasos necesarios para implementar PHY codificado para dispositivos periféricos ble Central y BLE