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Calculadora de orçamento de enlace e alcance BLE — Bluetooth Low Energy por PHY

Orçamento de enlace Bluetooth Low Energy por PHY: taxa de dados e sensibilidade do receptor da Core Specification para LE 1M, LE 2M e LE Coded, perda de percurso no espaço livre ou pelo modelo indoor da ITU-R P.1238, potência recebida, margem do enlace e alcance máximo.

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Referência da 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— Sensibilidade do receptor: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8) ou o valor do datasheet (dBm)

L_p— Perda de percurso (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coeficientes de distância, de offset e de frequência da ITU-R P.1238 para o ambiente

d— Distância direta (m)

f— Frequência (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}

Referência: 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— Sensibilidade do receptor: −70 dBm (1M, 2M), −75 dBm (Coded S=2), −82 dBm (Coded S=8) ou o valor do datasheet (dBm)

L_p— Perda de percurso (dB)

\alpha, \beta, \gamma— Coeficientes de distância, de offset e de frequência da ITU-R P.1238 para o ambiente

d— Distância direta (m)

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

Como Funciona

Os enlaces Bluetooth Low Energy são curtos, por isso seu orçamento depende principalmente do receptor: qual camada física (PHY) transporta os dados e quão sensível é o rádio.

Os quatro PHYs LE

A Bluetooth Core Specification define o LE 1M, o PHY obrigatório, a 1 Mb/s; o LE 2M, a 2 Mb/s; e o PHY codificado, que repete cada bit para trocar taxa por alcance: 500 kb/s com codificação S=2 e 125 kb/s com S=8. Um receptor em conformidade precisa atingir a sensibilidade da Tabela 4.2 do Volume 6, Parte A: −70 dBm para os PHYs não codificados, −75 dBm para S=2 e −82 dBm para S=8. Esses são os piores valores que um rádio qualificado pode ter, e a maioria dos rádios atuais é de 20 a 30 dB melhor; por isso, informe o valor do datasheet quando você o souber.

Perda de percurso

No espaço livre, a perda é $20\log_{10}(4\pi d f/c)$ : 60,20 dB em 2440 MHz e 10 m (ITU-R P.525). Em ambientes internos, a ITU-R P.1238 dá um modelo geral, independente do local (site-general), ajustado a medições,

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

sendo $d$ a distância direta em metros e $f$ a frequência em GHz, com coeficientes para escritórios, corredores, galpões industriais e salas de conferência, com linha de visada (LoS) e sem ela (NLoS). Em um escritório sem linha de visada, $\alpha$ = 2,39, $\beta$ = 30,13 e $\gamma$ = 2,40, então a perda a 10 m e 2,44 GHz é de 63,33 dB, e ela cresce 23,9 dB a cada aumento de dez vezes na distância, em vez dos 20 dB do espaço livre. Cada ambiente também tem um desvio padrão de sombreamento, 5,01 dB para esse escritório, exibido para ajudar a escolher uma margem de desvanecimento.

Margem e alcance

A potência recebida é a potência de transmissão mais os dois ganhos de antena, menos as outras perdas e a perda de percurso. A margem do enlace é essa potência menos a sensibilidade, e o alcance máximo é a distância em que a margem chega a zero.

Validade

A Core Specification admite potências de transmissão de −20 a +20 dBm na configuração de potência máxima, e o LE opera de 2400 a 2483,5 MHz; valores fora dessas faixas são exibidos com um aviso. Cada ambiente da P.1238 vale nas frequências e distâncias em que foi medido, como de 4 a 30 m para um escritório sem linha de visada; uma distância ou um alcance máximo fora dessa faixa é sinalizado. A perda de percurso é uma mediana sem margem de desvanecimento, e as perdas por corpo e por gabinete só entram se você as informar.

Exemplo Resolvido

Problema: Um sensor no PHY LE 1M transmite 0 dBm por uma antena chip de 0 dBi para um gateway a 10 m, do outro lado de um escritório, sem linha de visada. O enlace fecha, e até onde ele poderia chegar? Em seguida, compare com o PHY LE Coded S=8 e com um rádio cujo datasheet indica −97 dBm em LE 1M.

Etapa 1 - Perda de percurso (ITU-R P.1238, escritório NLoS): L = 23,9 log₁₀(10) + 30,13 + 24,0 log₁₀(2,44) = 23,9 + 30,13 + 9,30 = 63,33 dB

Etapa 2 - Potência recebida: P_RX = 0 + 0 + 0 − 0 − 63,33 = −63,33 dBm

Etapa 3 - Margem com a sensibilidade da Core Specification: M = −63,33 − (−70) = 6,67 dB Alcance máximo: 19,02 m

Etapa 4 - LE Coded S=8 (−82 dBm): M = 18,67 dB, alcance máximo de 60,43 m, além dos 30 m cobertos pelos coeficientes de escritório NLoS, por isso é sinalizado

Etapa 5 - Sensibilidade de datasheet de −97 dBm em LE 1M: M = 33,67 dB

No espaço livre, os mesmos 10 m custariam 60,20 dB. Em ambiente interno, os 3,13 dB a mais e a inclinação maior reduzem o alcance com −70 dBm de 30,92 m para 19,02 m.

Dicas Práticas

✓Informe a sensibilidade do datasheet do seu rádio para o PHY que você usa; deixe o campo em 0 para ver o mínimo da Core Specification.
✓Escolha o ambiente da ITU-R P.1238 que corresponde ao recinto e mantenha a distância dentro da faixa dele: de 4 a 30 m para um escritório sem linha de visada.
✓Mantenha uma margem do enlace de pelo menos um desvio padrão de sombreamento, e mais para um enlace que não pode cair.
✓Use o PHY LE Coded só onde o alcance for necessário: com S=8, a vazão cai para 125 kb/s.

Erros Comuns

✗Fazer o orçamento com a sensibilidade da Core Specification e concluir que o BLE alcança só alguns metros. O requisito de −70 dBm é um mínimo para conformidade; o valor de datasheet costuma ser 20 dB melhor, ou mais.
✗Usar a perda no espaço livre em ambientes internos. Paredes e móveis fazem a perda crescer mais rápido com a distância, e um alcance calculado no espaço livre pode passar de uma vez e meia o alcance real.
✗Esperar que o PHY codificado não custe nada. O S=8 ganha 12 dB de sensibilidade enviando cada bit oito vezes, então um pacote leva cerca de oito vezes mais tempo e consome mais energia.
✗Deixar de fora as perdas por corpo e por gabinete. Um wearable ou um dispositivo em uma caixa metálica pode perder vários decibéis que nunca aparecem em um datasheet.

Perguntas Frequentes

Qual é o alcance do Bluetooth Low Energy?

Depende do PHY, do rádio e do prédio. Com 0 dBm, sem ganho de antena e com o mínimo de −70 dBm da Core Specification, um escritório sem linha de visada limita o LE 1M a cerca de 19 m; um rádio com sensibilidade de −97 dBm, ou o PHY codificado, chega muito mais longe.

Que sensibilidade do receptor a especificação Bluetooth exige?

A Core Specification exige pelo menos −70 dBm nos PHYs LE 1M e LE 2M, −75 dBm no PHY codificado com codificação S=2 e −82 dBm com codificação S=8. Os rádios reais costumam ser bem melhores que esses mínimos.

O que é o PHY codificado (Coded PHY) do BLE?

É o PHY de longo alcance introduzido no Bluetooth 5. Ele codifica cada bit a 1 Msym/s com correção antecipada de erros, resultando em 500 kb/s com S=2 ou 125 kb/s com S=8, em troca de 5 ou 12 dB a mais de sensibilidade em relação ao LE 1M.

Que potência de transmissão um dispositivo BLE pode usar?

A Core Specification permite uma configuração de potência máxima entre −20 dBm e +20 dBm, nas classes de potência 1 a 3. Regulamentações regionais podem impor um limite menor.

Qual modelo de perda de percurso em ambientes internos a calculadora usa?

Usa o modelo geral (site-general) da Recomendação ITU-R P.1238, com os coeficientes para escritórios, corredores, galpões industriais e salas de conferência, com ou sem linha de visada, válidos nas frequências e distâncias em que cada um foi medido.

Metodologia e referências

Referências

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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