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Calculadora de presupuesto de enlace y alcance BLE: Bluetooth Low Energy por PHY

Presupuesto de enlace Bluetooth Low Energy por PHY: velocidad de datos y sensibilidad del receptor según la especificación Core para LE 1M, LE 2M y LE Coded, pérdida de trayecto en espacio libre o con el modelo de interiores ITU-R P.1238, potencia recibida, margen de enlace y alcance máximo.

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Referencia de Fórmula

M = 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}

Ref: 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— Sensibilidad del receptor: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (codificado S=2), −82 dBm (codificado S=8) o el valor de la hoja de datos (dBm)

L_p— Pérdida de trayecto (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coeficientes de distancia, desplazamiento y frecuencia de ITU-R P.1238 para el entorno

d— Distancia directa (m)

f— Frecuencia (Hz (free space), GHz (P.1238))

Fórmula

M = 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}

Referencia: 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— Sensibilidad del receptor: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (codificado S=2), −82 dBm (codificado S=8) o el valor de la hoja de datos (dBm)

L_p— Pérdida de trayecto (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coeficientes de distancia, desplazamiento y frecuencia de ITU-R P.1238 para el entorno

d— Distancia directa (m)

f— Frecuencia (Hz (free space), GHz (P.1238))

Cómo Funciona

Los enlaces Bluetooth Low Energy son cortos, así que su presupuesto depende sobre todo del receptor: qué capa física (PHY) transporta los datos y qué sensibilidad tiene la radio.

Los cuatro PHY de LE

La especificación Core de Bluetooth define LE 1M, el PHY obligatorio, a 1 Mb/s; LE 2M a 2 Mb/s; y el PHY codificado, que repite cada bit para cambiar velocidad por alcance: 500 kb/s con codificación S=2 y 125 kb/s con S=8. Un receptor conforme debe alcanzar la sensibilidad de la tabla 4.2 del volumen 6, parte A: −70 dBm para los PHY sin codificar, −75 dBm para S=2 y −82 dBm para S=8. Son los peores valores que puede tener una radio cualificada, y la mayoría de las radios actuales son entre 20 y 30 dB mejores, así que introduzca el valor de la hoja de datos cuando lo conozca.

Pérdida de trayecto

En espacio libre la pérdida es $20\log_{10}(4\pi d f/c)$ : 60,20 dB a 2440 MHz y 10 m (ITU-R P.525). En interiores, ITU-R P.1238 da un modelo general de emplazamiento ajustado a mediciones,

L = 10\alpha\log_{10} d + \beta + 10\gamma\log_{10} f

con $d$ la distancia directa en metros y $f$ la frecuencia en GHz, y coeficientes para oficinas, pasillos, naves industriales y salas de conferencias, con línea de vista (LoS) y sin ella (NLoS). En una oficina sin línea de vista, $\alpha$ = 2,39, $\beta$ = 30,13 y $\gamma$ = 2,40, así que la pérdida a 10 m y 2,44 GHz es de 63,33 dB, y crece 23,9 dB cada vez que la distancia se multiplica por diez, en lugar de los 20 dB del espacio libre. Cada entorno tiene además una desviación estándar del desvanecimiento por sombra, 5,01 dB en esa oficina, que se muestra para ayudar a elegir un margen de desvanecimiento.

Margen y alcance

La potencia recibida es la potencia de transmisión más las ganancias de ambas antenas, menos las demás pérdidas y la pérdida de trayecto. El margen de enlace es esa potencia menos la sensibilidad, y el alcance máximo es la distancia a la que el margen llega a cero.

Validez

La especificación Core permite potencias de transmisión de −20 a +20 dBm en el ajuste de potencia máxima, y LE funciona de 2400 a 2483,5 MHz; los valores fuera de esos rangos se muestran con una advertencia. Cada entorno de P.1238 es válido en las frecuencias y distancias en las que se midió, por ejemplo de 4 a 30 m en una oficina sin línea de vista; se señala toda distancia o alcance máximo fuera de ese rango. La pérdida de trayecto es una mediana sin margen de desvanecimiento, y las pérdidas por el cuerpo y por la carcasa solo cuentan si usted las introduce.

Ejemplo Resuelto

Problema: Un sensor con el PHY LE 1M transmite 0 dBm por una antena de chip de 0 dBi hacia un gateway a 10 m, al otro lado de una oficina y sin línea de vista. ¿Cierra el enlace, y hasta dónde podría llegar? Después, compare con el PHY LE Coded S=8 y con una radio cuya hoja de datos indica −97 dBm en LE 1M.

Paso 1 - Pérdida de trayecto (ITU-R P.1238, oficina NLoS): L = 23.9 log₁₀(10) + 30.13 + 24.0 log₁₀(2.44) = 23.9 + 30.13 + 9.30 = 63.33 dB

Paso 2 - Potencia recibida: P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63.33 = −63.33 dBm

Paso 3 - Margen con la sensibilidad de la especificación Core: M = −63.33 − (−70) = 6.67 dB Alcance máximo: 19.02 m

Paso 4 - LE Coded S=8 (−82 dBm): M = 18.67 dB, alcance máximo 60.43 m, más allá de los 30 m que cubren los coeficientes de oficina NLoS, así que se señala

Paso 5 - Sensibilidad de −97 dBm según la hoja de datos, en LE 1M: M = 33.67 dB

En espacio libre, los mismos 10 m costarían 60,20 dB. En interiores, los 3,13 dB adicionales y la mayor pendiente reducen el alcance con −70 dBm de 30,92 m a 19,02 m.

Consejos Prácticos

✓Introduzca la sensibilidad de la hoja de datos de su radio para el PHY que use; deje el campo en 0 para ver el mínimo de la especificación Core.
✓Elija el entorno de ITU-R P.1238 que corresponda a la sala y mantenga la distancia dentro de su rango: de 4 a 30 m para una oficina sin línea de vista.
✓Deje como margen de enlace al menos una desviación estándar del desvanecimiento por sombra, y más en un enlace que no pueda caerse.
✓Use el PHY LE Coded solo donde haga falta el alcance: con S=8 el caudal cae a 125 kb/s.

Errores Comunes

✗Hacer el presupuesto con la sensibilidad de la especificación Core y concluir que BLE solo alcanza unos pocos metros. El requisito de −70 dBm es un mínimo de conformidad; el valor de una hoja de datos suele ser 20 dB mejor, o más.
✗Usar la pérdida en espacio libre en interiores. Las paredes y los muebles hacen que la pérdida crezca más deprisa con la distancia, así que un alcance calculado en espacio libre puede exceder el real en más de la mitad.
✗Esperar que el PHY codificado no cueste nada. S=8 gana 12 dB de sensibilidad enviando cada bit ocho veces, así que un paquete tarda unas ocho veces más y consume más energía.
✗Omitir las pérdidas por el cuerpo y por la carcasa. Un wearable o un equipo dentro de una caja metálica puede perder varios decibelios que nunca aparecen en una hoja de datos.

Preguntas Frecuentes

¿Cuál es el alcance de Bluetooth Low Energy?

Depende del PHY, de la radio y del edificio. Con 0 dBm, sin ganancia de antena y con el mínimo de −70 dBm de la especificación Core, una oficina sin línea de vista limita LE 1M a unos 19 m; una radio con −97 dBm de sensibilidad, o el PHY codificado, llega mucho más lejos.

¿Qué sensibilidad de receptor exige la especificación Bluetooth?

La especificación Core exige al menos −70 dBm en los PHY LE 1M y LE 2M, −75 dBm en el PHY codificado con codificación S=2 y −82 dBm con codificación S=8. Las radios reales suelen ser mucho mejores que estos mínimos.

¿Qué es el PHY BLE Coded?

Es el PHY de largo alcance introducido en Bluetooth 5. Codifica cada bit a 1 Msym/s con corrección de errores hacia adelante, lo que da 500 kb/s con S=2 o 125 kb/s con S=8, a cambio de 5 o 12 dB más de sensibilidad que LE 1M.

¿Qué potencia de transmisión puede usar un dispositivo BLE?

La especificación Core permite un ajuste de potencia máxima de entre −20 dBm y +20 dBm, en las clases de potencia 1 a 3. La normativa regional puede fijar un límite más bajo.

¿Qué modelo de pérdida de trayecto en interiores usa la calculadora?

Usa el modelo general de emplazamiento de la Recomendación ITU-R P.1238, con los coeficientes para oficinas, pasillos, naves industriales y salas de conferencias, con o sin línea de vista, válidos en las frecuencias y distancias en las que se midió cada uno.

Metodología y referencias

Referencias

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) enlace
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 enlace
Recommendation ITU-R P.525-4, Calculation of free-space attenuation — ITU-R, 08/2019 — §2.2, Eq. (3) enlace

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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