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Calculateur de bilan de liaison et de portée BLE — Bluetooth Low Energy par PHY

Bilan de liaison Bluetooth Low Energy par PHY : débit et sensibilité de récepteur de la Core Specification pour LE 1M, LE 2M et LE Coded, affaiblissement de propagation en espace libre ou selon le modèle intérieur ITU-R P.1238, puissance reçue, marge de liaison et portée maximale.

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Formule

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}

Référence: 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— Sensibilité du récepteur : −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8), ou valeur de la fiche technique (dBm)

L_p— Affaiblissement de propagation (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coefficients ITU-R P.1238 de distance, de décalage et de fréquence pour l'environnement

d— Distance directe (m)

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

Formule

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}

Référence: 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— Sensibilité du récepteur : −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8), ou valeur de la fiche technique (dBm)

L_p— Affaiblissement de propagation (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coefficients ITU-R P.1238 de distance, de décalage et de fréquence pour l'environnement

d— Distance directe (m)

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

Comment ça marche

Les liaisons Bluetooth Low Energy sont courtes : leur bilan dépend donc surtout du récepteur, c'est-à-dire de la couche physique (PHY) qui transporte les données et de la sensibilité de la radio.

Les quatre PHY LE

La Bluetooth Core Specification définit LE 1M, le PHY obligatoire, à 1 Mb/s ; LE 2M à 2 Mb/s ; et le PHY codé, qui répète chaque bit pour échanger du débit contre de la portée : 500 kb/s avec le codage S=2 et 125 kb/s avec S=8. Un récepteur conforme doit atteindre la sensibilité du tableau 4.2 du volume 6, partie A : −70 dBm pour les PHY non codés, −75 dBm pour S=2 et −82 dBm pour S=8. Ce sont les pires valeurs qu'une radio qualifiée puisse avoir, et la plupart des radios actuelles font de 20 à 30 dB mieux : saisissez la valeur de la fiche technique quand vous la connaissez.

Affaiblissement de propagation

En espace libre, l'affaiblissement vaut $20\log_{10}(4\pi d f/c)$ : 60,20 dB à 2440 MHz et 10 m (ITU-R P.525). En intérieur, ITU-R P.1238 fournit un modèle général, indépendant du site, ajusté sur des mesures,

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

avec $d$ la distance directe en mètres et $f$ la fréquence en GHz, et des coefficients pour les bureaux, les couloirs, les halls industriels et les salles de conférence, en visibilité directe (LoS) et hors visibilité (NLoS). Dans un bureau hors visibilité, $\alpha$ = 2,39, $\beta$ = 30,13 et $\gamma$ = 2,40 : l'affaiblissement à 10 m et 2,44 GHz est donc de 63,33 dB, et il augmente de 23,9 dB chaque fois que la distance est multipliée par dix, au lieu de 20 dB en espace libre. Chaque environnement a aussi un écart type d'effet de masque, 5,01 dB pour ce bureau, affiché pour aider à choisir une marge d'évanouissement.

Marge et portée

La puissance reçue est la puissance d'émission plus les deux gains d'antenne, moins les autres pertes et l'affaiblissement de propagation. La marge de liaison est cette puissance moins la sensibilité, et la portée maximale est la distance à laquelle la marge tombe à zéro.

Domaine de validité

La Core Specification autorise des puissances d'émission de −20 à +20 dBm au réglage de puissance maximal, et LE fonctionne de 2400 à 2483,5 MHz ; les valeurs hors de ces plages sont affichées avec un avertissement. Chaque environnement P.1238 n'est valable que sur les fréquences et les distances auxquelles il a été mesuré, par exemple de 4 à 30 m pour un bureau hors visibilité ; une distance ou une portée maximale hors de cette plage est signalée. L'affaiblissement est une valeur médiane sans marge d'évanouissement, et les pertes dues au corps et au boîtier ne comptent que si vous les saisissez.

Exemple Résolu

Problème : un capteur en PHY LE 1M émet 0 dBm via une antenne chip de 0 dBi vers une passerelle située à 10 m, de l'autre côté d'un bureau, hors visibilité. La liaison passe-t-elle, et jusqu'où pourrait-elle porter ? Comparez ensuite le PHY LE Coded S=8, puis une radio dont la fiche technique donne −97 dBm en LE 1M.

Étape 1 - Affaiblissement de propagation (ITU-R P.1238, bureau NLoS) : L = 23,9 log₁₀(10) + 30,13 + 24,0 log₁₀(2,44) = 23,9 + 30,13 + 9,30 = 63,33 dB

Étape 2 - Puissance reçue : P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63,33 = −63,33 dBm

Étape 3 - Marge avec la sensibilité de la Core Specification : M = −63,33 − (−70) = 6,67 dB Portée maximale : 19,02 m

Étape 4 - LE Coded S=8 (−82 dBm) : M = 18,67 dB, portée maximale 60,43 m, au-delà des 30 m couverts par les coefficients du bureau NLoS : elle est donc signalée

Étape 5 - Sensibilité de −97 dBm selon la fiche technique, en LE 1M : M = 33,67 dB

En espace libre, les mêmes 10 m coûteraient 60,20 dB. En intérieur, les 3,13 dB supplémentaires et la pente plus forte réduisent la portée, à −70 dBm, de 30,92 m à 19,02 m.

Conseils Pratiques

✓Saisissez la sensibilité donnée par la fiche technique de votre radio pour le PHY utilisé ; laissez le champ à 0 pour voir le minimum de la Core Specification.
✓Choisissez l'environnement ITU-R P.1238 qui correspond à la pièce, et gardez la distance dans sa plage de validité : de 4 à 30 m pour un bureau hors visibilité.
✓Gardez une marge de liaison d'au moins un écart type d'effet de masque, davantage pour une liaison qui ne doit pas décrocher.
✓N'utilisez le PHY LE Coded que là où la portée l'exige : en S=8, le débit tombe à 125 kb/s.

Erreurs Fréquentes

✗Faire le bilan avec la sensibilité de la Core Specification et conclure que le BLE ne porte qu'à quelques mètres. L'exigence de −70 dBm est un minimum de conformité ; une valeur de fiche technique est en général meilleure de 20 dB ou plus.
✗Utiliser l'affaiblissement en espace libre en intérieur. Les murs et le mobilier font croître l'affaiblissement plus vite avec la distance : une portée calculée en espace libre peut être trop longue de plus de la moitié.
✗Croire que le PHY codé ne coûte rien. S=8 gagne 12 dB de sensibilité en envoyant chaque bit huit fois : un paquet dure environ huit fois plus longtemps et consomme plus d'énergie.
✗Oublier les pertes dues au corps et au boîtier. Un objet porté ou un appareil dans un boîtier métallique peut perdre plusieurs décibels qui n'apparaissent dans aucune fiche technique.

Foire Aux Questions

Quelle est la portée du Bluetooth Low Energy ?

Elle dépend du PHY, de la radio et du bâtiment. Avec 0 dBm, sans gain d'antenne et avec le minimum de −70 dBm de la Core Specification, un bureau hors visibilité limite LE 1M à environ 19 m ; une radio d'une sensibilité de −97 dBm, ou le PHY codé, porte bien plus loin.

Quelle sensibilité de récepteur la spécification Bluetooth exige-t-elle ?

La Core Specification exige au moins −70 dBm sur les PHY LE 1M et LE 2M, −75 dBm sur le PHY codé avec le codage S=2 et −82 dBm avec le codage S=8. Les radios réelles font en général bien mieux que ces minimums.

Qu'est-ce que le PHY BLE Coded ?

C'est le PHY longue portée introduit avec Bluetooth 5. Il code chaque bit à 1 Msym/s avec une correction d'erreurs directe, ce qui donne 500 kb/s avec S=2 ou 125 kb/s avec S=8, en échange de 5 ou 12 dB de sensibilité supplémentaire par rapport à LE 1M.

Quelle puissance d'émission un appareil BLE peut-il utiliser ?

La Core Specification autorise un réglage de puissance maximale compris entre −20 dBm et +20 dBm, dans les classes de puissance 1 à 3. La réglementation régionale peut imposer une limite plus basse.

Quel modèle d'affaiblissement en intérieur le calculateur utilise-t-il ?

Il utilise le modèle général de la Recommandation ITU-R P.1238, avec les coefficients des bureaux, des couloirs, des halls industriels et des salles de conférence, en visibilité directe ou non, valables sur les fréquences et les distances auxquelles chacun a été mesuré.

Méthodologie et références

Références

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

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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