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BLE-Linkbudget- und Reichweitenrechner — Bluetooth Low Energy nach PHY

Bluetooth-Low-Energy-Linkbudget nach PHY: Datenrate und Empfängerempfindlichkeit laut Core-Spezifikation für LE 1M, LE 2M und LE Coded, Pfadverlust im Freiraum oder nach dem Indoor-Modell ITU-R P.1238, Empfangsleistung, Linkreserve und maximale Reichweite.

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Formel

M=PTX+GTX+GRX−L−Lp−S,LpFS=20log⁡104πdfc,LpP.1238=10αlog⁡10d+β+10γlog⁡10fGHzM = P_{TX} + G_{TX} + G_{RX} - L - L_p - S,\quad L_p^{FS} = 20\log_{10}\frac{4\pi d f}{c},\quad L_p^{P.1238} = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f_{GHz}

Referenz: Bluetooth Core Specification v5.4, Vol 6, Part A, §1–§4; ITU-R P.1238-13, §3.1, Table 2; ITU-R P.525-4, Eq. (3)

S— Empfängerempfindlichkeit: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8) oder der Datenblattwert (dBm)
L_p— Pfadverlust (dB)
\alpha, \beta, \gamma— Entfernungs-, Offset- und Frequenzkoeffizient nach ITU-R P.1238 für die Umgebung
d— Direkte Entfernung (m)
f— Frequenz (Hz (free space), GHz (P.1238))

Wie es funktioniert

Bluetooth-Low-Energy-Verbindungen sind kurz, daher hängt ihr Linkbudget vor allem vom Empfänger ab: welche Bitübertragungsschicht (PHY) die Daten trägt und wie empfindlich das Funkmodul ist.

Die vier LE-PHYs

Die Bluetooth-Core-Spezifikation definiert LE 1M, den verpflichtenden PHY, mit 1 Mb/s; LE 2M mit 2 Mb/s; und den Coded PHY, der jedes Bit wiederholt und so Datenrate gegen Reichweite tauscht: 500 kb/s mit S=2-Codierung und 125 kb/s mit S=8. Ein konformer Empfänger muss die Empfindlichkeit aus Tabelle 4.2 in Volume 6, Part A erreichen: −70 dBm für die uncodierten PHYs, −75 dBm für S=2 und −82 dBm für S=8. Das sind die schlechtesten Werte, die ein qualifiziertes Funkmodul haben darf, und die meisten aktuellen Funkmodule sind 20 bis 30 dB besser; geben Sie daher den Datenblattwert ein, wenn Sie ihn kennen.

Pfadverlust

Im freien Raum beträgt der Verlust 20log⁡10(4πdf/c)20\log_{10}(4\pi d f/c): 60,20 dB bei 2440 MHz und 10 m (ITU-R P.525). Für Innenräume liefert ITU-R P.1238 ein standortunabhängiges Modell, das an Messungen angepasst ist,

L=10αlog⁡10d+β+10γlog⁡10fL = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f

mit dd als direkter Entfernung in Metern und ff als Frequenz in GHz sowie Koeffizienten für Büros, Korridore, Industriehallen und Konferenzräume, jeweils mit Sichtverbindung (LoS) und ohne (NLoS). Durch ein Büro ohne Sichtverbindung gilt α\alpha = 2,39, β\beta = 30,13 und γ\gamma = 2,40, der Verlust bei 10 m und 2,44 GHz beträgt also 63,33 dB, und er wächst pro Verzehnfachung der Entfernung um 23,9 dB statt um die 20 dB des freien Raums. Jede Umgebung hat außerdem eine Standardabweichung des Shadow-Fadings, 5,01 dB für dieses Büro, die angezeigt wird, um bei der Wahl einer Fading-Reserve zu helfen.

Reserve und Reichweite

Die Empfangsleistung ist die Sendeleistung plus beide Antennengewinne, abzüglich der sonstigen Verluste und des Pfadverlusts. Die Linkreserve ist diese Leistung abzüglich der Empfindlichkeit, und die maximale Reichweite ist die Entfernung, bei der die Reserve null erreicht.

Gültigkeit

Die Core-Spezifikation erlaubt bei der maximalen Leistungseinstellung Sendeleistungen von −20 bis +20 dBm, und LE arbeitet von 2400 bis 2483,5 MHz; Werte außerhalb dieser Bereiche werden mit einer Warnung angezeigt. Jede P.1238-Umgebung gilt für die Frequenzen und Entfernungen, bei denen sie gemessen wurde, etwa 4 bis 30 m für ein Büro ohne Sichtverbindung; eine Entfernung oder maximale Reichweite außerhalb dieses Bereichs wird markiert. Der Pfadverlust ist ein Median ohne Fading-Reserve, und Körper- und Gehäusedämpfung zählen nur, wenn Sie sie eingeben.

Rechenbeispiel

Problem: Ein Sensor mit dem LE-1M-PHY sendet 0 dBm über eine 0-dBi-Chipantenne zu einem Gateway in 10 m Entfernung quer durch ein Büro, ohne Sichtverbindung. Geht das Linkbudget auf, und wie weit könnte die Verbindung reichen? Vergleichen Sie anschließend den PHY LE Coded S=8 und ein Funkmodul, dessen Datenblatt −97 dBm für LE 1M angibt.

Schritt 1 — Pfadverlust (ITU-R P.1238, Büro NLoS): L = 23,9 log₁₀(10) + 30,13 + 24,0 log₁₀(2,44) = 23,9 + 30,13 + 9,30 = 63,33 dB

Schritt 2 — Empfangsleistung: P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63,33 = −63,33 dBm

Schritt 3 — Reserve mit der Empfindlichkeit der Core-Spezifikation: M = −63,33 − (−70) = 6,67 dB Maximale Reichweite: 19,02 m

Schritt 4 — LE Coded S=8 (−82 dBm): M = 18,67 dB, maximale Reichweite 60,43 m, jenseits der 30 m, die die NLoS-Koeffizienten für Büros abdecken, daher markiert

Schritt 5 — Eine Datenblattempfindlichkeit von −97 dBm bei LE 1M: M = 33,67 dB

Im freien Raum würden dieselben 10 m 60,20 dB kosten. In Innenräumen verkürzen die zusätzlichen 3,13 dB und die steilere Steigung die Reichweite bei −70 dBm von 30,92 m auf 19,02 m.

Praktische Tipps

  • ✓Geben Sie die Datenblattempfindlichkeit Ihres Funkmoduls für den verwendeten PHY ein; lassen Sie das Feld auf 0, um den Mindestwert der Core-Spezifikation zu sehen.
  • ✓Wählen Sie die ITU-R-P.1238-Umgebung, die zum Raum passt, und halten Sie die Entfernung in ihrem Gültigkeitsbereich: 4 bis 30 m für ein Büro ohne Sichtverbindung.
  • ✓Halten Sie mindestens eine Standardabweichung des Shadow-Fadings als Linkreserve vor, mehr für eine Verbindung, die nicht abreißen darf.
  • ✓Verwenden Sie den LE Coded PHY nur dort, wo die Reichweite gebraucht wird: Bei S=8 sinkt der Durchsatz auf 125 kb/s.

Häufige Fehler

  • ✗Mit der Empfindlichkeit der Core-Spezifikation rechnen und folgern, dass BLE nur wenige Meter weit reicht. Die Anforderung von −70 dBm ist eine Untergrenze für die Konformität; ein Datenblattwert ist meist 20 dB oder mehr besser.
  • ✗Die Freiraumdämpfung in Innenräumen verwenden. Wände und Möbel lassen den Verlust mit der Entfernung schneller wachsen, sodass eine Freiraumreichweite um mehr als die Hälfte zu lang sein kann.
  • ✗Erwarten, dass der Coded PHY nichts kostet. S=8 gewinnt 12 dB Empfindlichkeit, indem jedes Bit achtmal gesendet wird, ein Paket dauert also etwa achtmal so lange und verbraucht mehr Energie.
  • ✗Körper- und Gehäusedämpfung weglassen. Ein Wearable oder ein Gerät in einem Metallgehäuse kann mehrere Dezibel verlieren, die in keinem Datenblatt auftauchen.

Häufig gestellte Fragen

Das hängt vom PHY, vom Funkmodul und vom Gebäude ab. Mit 0 dBm, ohne Antennengewinn und mit dem Mindestwert der Core-Spezifikation von −70 dBm begrenzt ein Büro ohne Sichtverbindung LE 1M auf etwa 19 m; ein Funkmodul mit −97 dBm Empfindlichkeit oder der Coded PHY reicht deutlich weiter.
Die Core-Spezifikation fordert mindestens −70 dBm bei den PHYs LE 1M und LE 2M, −75 dBm beim Coded PHY mit S=2-Codierung und −82 dBm mit S=8-Codierung. Reale Funkmodule sind meist deutlich besser als diese Mindestwerte.
Es ist der in Bluetooth 5 eingeführte PHY für große Reichweite. Er codiert jedes Bit bei 1 Msym/s mit Vorwärtsfehlerkorrektur und erreicht so 500 kb/s mit S=2 oder 125 kb/s mit S=8, im Tausch gegen 5 oder 12 dB zusätzliche Empfindlichkeit gegenüber LE 1M.
Die Core-Spezifikation erlaubt eine maximale Leistungseinstellung zwischen −20 dBm und +20 dBm, in den Leistungsklassen 1 bis 3. Regionale Vorschriften können eine niedrigere Grenze festlegen.
Er verwendet das standortunabhängige Modell der Empfehlung ITU-R P.1238 mit den Koeffizienten für Büros, Korridore, Industriehallen und Konferenzräume mit oder ohne Sichtverbindung, jeweils gültig für die Frequenzen und Entfernungen, bei denen sie gemessen wurden.

Methodik & Referenzen

Referenzen

  • Bluetooth Core Specification, Version 5.4 — Bluetooth SIG, 2023 — Vol 6, Part A: §1 (LE PHYs and rates), §2 (2400–2483.5 MHz), §3 and Table 3.1 (transmit power), §4.1 and Table 4.2 (receiver sensitivity) Link
  • Recommendation ITU-R P.1238-13, Propagation data and prediction methods for the planning of indoor radiocommunication systems — ITU-R, 09/2025 — §3.1, Eq. (1) and Table 2, site-general basic transmission loss coefficients Link
  • Recommendation ITU-R P.525-4, Calculation of free-space attenuation — ITU-R, 08/2019 — §2.2, Eq. (3) Link

Uses the Core Specification sensitivities (−70, −70, −75 and −82 dBm) and rates (1, 2, 0.5 and 0.125 Mb/s) for the four LE PHYs, reproduces the 60.20 dB free-space loss at 2440 MHz and 10 m, and the ITU-R P.1238-13 office NLoS coefficients exactly.

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