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Um das genaue Maß der Verbesserung in der Praxis sichtbar zu machen, wäre eine perfekt kontrollierte Umgebung wie eine Absorberhalle oder der Weltraum (ohne andere Strahlungsquellen vonnöten. Leider kommen diese Möglichkeiten aber aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage.

Im freien Raum erfordert ein Verdoppeln der Reichweite eine Erhöhung des Link-Budgets um den Faktor vier (dies entspricht einer Anhebung um 6 dB). Das bedeutet, dass eine Vervierfachung der Reichweite eine Verbesserung der Empfindlichkeit um 12 dB für die als ‚Coded PHY‘ bezeichnete neue Long-Range-Datenrate von Bluetooth 5 erfordert, verglichen mit den ursprünglichen, mit 1,0 MBit/s arbeitenden Bluetooth 4.0 LE-Empfängern, die es seit 2010 gibt.

Als die neuen Coded PHYs definiert und von der Bluetooth SIG diskutiert wurden, besaßen die besten BLE-Empfänger eine Empfindlichkeit von etwa -93 dBm. Dieser Wert wurde als Referenz gewählt, mit der die neuen Coded PHYs verglichen werden sollten. Das neue Modulations- und Codierungsformat musste deshalb eine realistische Empfindlichkeit von -105 dBm unterstützen. Dies leistet die neue CodedPHY mit 125 kBit/s.

Das erreicht sie auf zweierlei Weise: Die größte Verbesserung resultiert aus der Tatsache, dass die Datenrate auf ein Achtel herabgesetzt wird, sodass auf jedes Bit unabhängig der jeweiligen Leistung achtmal mehr Energie entfällt. Theoretisch ist dem Empfänger so der Empfang von Signalen mit einer um 9 dB geringeren Leistung möglich, wobei pro Bit die gleiche Energiemenge empfangen wird wie zuvor.

Dennoch fehlen uns jetzt noch 3 dB bis zu den angestrebten 12 dB. Dieser Restwert lässt sich mit der verwendeten Codierung erreichen. Der Vergleichswert von -93 dBm (für 1 MBit/s) ging von einem herkömmlichen differenziellen Modulator aus, bei dem für jedes empfangene Symbol (1 Symbol pro Bit) durch Vergleich mit dem vorhergehenden Symbol ermittelt wird, ob es 1 oder 0 lautet. Die CodedPHYs dagegen ermöglichen einen semi-kohärenten Empfänger, in dem acht Symbole einem Bit entsprechen, und in dem Korrelatoren nach diesen bekannten Symbolsequenzen suchen können.

Die Wireless-MCU CC2640R2F bietet eine branchenweit spitzenmäßige Empfindlichkeit von -103 dBm und liegt damit nur um 2 dB unter dem Zielwert von -105 dBm. Zusammen mit der Ausgangsleistung des CC2640R2F von +5 dBm ergibt dies ein eindrucksvolles Link-Budget von 108 dB. In der Nähe der Texas-Instruments-Büros in Oslo (Norwegen) haben wir unter freiem Himmel und in einer weitgehend unkontrollierten Umgebung einen Reichweitentest mit unserer neuen Wireless-MCU CC2640R2F und dem 125 kBit/s PHY durchgeführt, wobei wir eine Verbindung über eine Distanz von 1,6 km halten konnten.

Obwohl die tatsächlich erzielte Reichweite, wie oben erläutert, von der jeweiligen Umgebung und Anwendung abhängen wird, kann aus diesem Experiment doch die entscheidende Erkenntnis mitgenommen werden, dass Bluetooth 5 gegenüber Bluetooth 4.x offensichtlich eine gravierende Reichweitensteigerung erzielt und dass dies den Weg zu reizvollen neuen Anwendungen ebnet.

Schließlich sollte nicht unerwähnt bleiben, dass der Stromverbrauch nach wie vor ein entscheidendes Kriterium für die meisten Bluetooth Low Energy-Anwendungen ist. Die in unserer Tech-Demo (http://www.youtube.com/watch?v=2VkbGIEFn4g) gezeigte Reichweitendemonstration erfolgte mit einer Sendeleistung von nur +5 dBm, was eine maximale Stromaufnahme von 9 mA im Sendebetrieb und von 6 mA im Empfangsmodus ergibt. Im Verbund mit der sehr geringen Standby-Stromaufnahme der MCU CC2640R2F erlaubt dies in BLE-Anwendungen eine sehr gute Indoor- und Outdoor-Reichweite, wobei mit einer Knopfzelle ein jahrelanger Betrieb möglich ist.

Der Long-Range-Modus von Bluetooth 5 lässt sich für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzen, die lange Funkdistanzen mit geringem Energieverbrauch aufrecht erhalten müssen - ob nun Alarmsensoren, Rauchmelder oder Beleuchtungssteuerungen. Mit den hier beschriebenen Bausteinen schaffen Sie eine Bluetooth-Low-Energy-Verbindung, die von einer kleinen Knopfzelle versorgt Daten von und nach den entferntesten Ecken Ihres Hauses, Ihres Gebäudes oder Ihrer Fabrik übertragen kann. ´

* Espen Wium ist Systems Engineer für Bluetooth Low Energy bei Texas Instruments.

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