Quelle est la portée du BLE en fonction de son environnement ?

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A la fin des années 1990, la technologie de communication sans fil, le Bluetooth voit le jour pour remplacer les connexions filaires. Développée par le consortium d’entreprises (Ericsson, IBM, Intel, Nokia et Toshiba) appelé Bluetooth Special Interest Group (abrégé en Bluetooth SIG), la technologie Bluetooth va très rapidement se répandre, pour aujourd’hui être présente partout dans notre quotidien : smartphone, accessoires Hi-Fi, robots domestiques, etc. Cependant, pour pouvoir remplacer les connexions filaires, le Bluetooth « classique » doit offrir des débits de données importants, rendant cette technologie relativement énergivore. De plus, celle-ci possède une portée d’émission assez courte : entre 10 et 15 mètres maximum.

Une dizaine d’années après la sortie du Bluetooth a été développé le Bluetooth Low Energy (BLE), démocratisé par Apple avec l’iBeacon. Ces deux technologies sont en fait utilisées à des fins différentes. Le Bluetooth « classique » est employé pour traiter, transférer et échanger de nombreuses données sans interruption (par exemple en audio), alors que le Bluetooth LE, est utilisé pour le transfert périodique de petites quantités de données (Température, heure, identifiant, etc.). Son fonctionnement en discontinu rend cette technologie moins énergivore permettant aux balises et capteurs sans fil de fonctionner pendant plusieurs années. De plus, le Bluetooth Low Energy offrant des portées pouvant atteindre plusieurs centaines de mètres, de nombreuses entreprises industrielles s’orientent vers cette technologie.

En savoir plus : Qu’est-ce que le Bluetooth Low Energy ?

Mais, comme toute technologie de communication sans fil, le BLE va se comporter de façon différente selon l’environnement dans lequel il est utilisé. Dans cet article, nous analysons son comportement dans 4 environnements différents : Site industriel, bureaux, sous l’eau et sous terre.

Toutefois et indépendamment du milieu, deux critères principaux définissent les performances d’une liaison RF BLE: le RSSI qui caractérise la force du signal mesuré par le détecteur (scanner BLE) et le taux de réception qui caractérise le taux de succès d’une transmission BLE. Utiliser des transmetteurs à forte puissance, ou des détecteurs à haute sensibilité (avec ou sans antenne extérieure, avec ou sans pré amplification) permet d’améliorer le RSSI offrant de plus grandes portées de liaison BLE. Des distances de travail de 100 m sont accessibles avec du matériel standard et l’on peut atteindre 500m avec du matériel spécialisé. Le taux de réception dépend du nombre d’émetteurs BLE visibles par le scanner et de leur période de récurrence. Limiter le nombre de trames émises en dessous de 6000 trames par minute (100 émetteurs avec une période de récurrence de 1 seconde) permet de garantir un taux de réception supérieur à 80% avec du matériel standard.

Quelle portée pour le BLE dans un site industriel ?

Les sites industriels sont souvent des environnements contenant de nombreux objets métalliques (étagères, poutrelles,…) qui peuvent générer des réflexions ou des confinement faisant complètement barrage à la propagation des ondes (cages de faraday). Ainsi, dans ces environnements, les distances de communication peuvent varier d’un point à l’autre et des « zones d’ombres » peuvent exister. En pratique, il conviendra d’installer les détecteurs le plus éloigné possible des objets métalliques les plus grands. Il sera aussi parfois nécessaire de densifier le nombre de détecteurs ou utiliser des antennes déportées pour couvrir les zones d’ombre. Comme expliqué plus haut, la portée du BLE dépend de plusieurs facteurs et le choix des balises en fait partie. Le SIG Bluetooth met à disposition un calculateur de portée estimative selon certains critères notamment liés au gain des antennes, mais aussi à la puissance de transmission. Pour un site industriel, la portée estimative du BLE se situe entre 73 et 140m.

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Quelle portée pour le BLE dans des bureaux ?

De plus en plus utilisée dans des applications de Smart Building, la technologie Bluetooth Low Energy (BLE) s’adapte parfaitement à des environnements de type « bureaux ». Cependant ces environnements se caractérisent par la présence d’objets métalliques (écrans, ordinateurs,…) de petite et moyenne taille et d’objets absorbants (corps humains notamment) pouvant légèrement altérer la portée du signal. Les volumes en hauteurs (proche du plafond) présentent généralement moins d’obstacles à la propagation et il est donc recommandé d’installer les détecteurs en hauteur. Voici une estimation de portée du BLE faite par le SIG Bluetooth pour un environnement de bureaux :

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Quelle portée pour le BLE sous l’eau et sous terre ?

L’utilisation des technologies de communication sans fil sous l’eau et sous terre est un sujet qui intéresse de nombreux organismes d’état, mais aussi les entreprises. A ce jour, les ondes sonores (sonar) sont utilisées notamment par les sous-marins pour communiquer. Plusieurs études sont menées dans le but d’arriver à utiliser les ondes radio (RF) sous l’eau, cependant, le domaine de fréquence utilisé pour les communications Bluetooth (mais aussi Wifi et Zigbee), autour de 2.4 GHz, a été choisi, car il correspond à un maximum d’absorption pour les molécules d’eau. Cela permet de limiter la portée de ces communications et de les utiliser pour des réseaux « locaux » ne devant pas polluer les réseaux adjacents. Plongée dans l’eau liquide la portée d’une liaison RF à 2,4 GHz dépasse rarement 1 m.  De même, en souterrain les signaux 2.4 GHz sont très fortement absorbé, soit par la présence d’eau, soit par la présence de particule métallique dans les roches qui agissent en objet diffusant / diffractant. La portée du BLE dans ces milieux est aussi de l’ordre de 1 m.

En conclusion

Comme toutes technologies de communication sans fil, le BLE va se comporter différemment selon l’environnement dans lequel il est utilisé, mais offre tout de même des performances intéressantes et suffisantes et ce même dans des environnements complexe. De plus, sa faible consommation et son fonctionnement sans fil assurent un coût d’acquisition avantageux et permettent aux entreprises de déployer des projets IoT rapidement et simplement.

Paul IVALDI
Paul IVALDI
Responsable département R&D
Paul Ivaldi, responsable du département R&D d’ELA Innovation depuis Janvier 2020, ingénieur de l’INP Grenoble (Phelma), Docteur en électronique (capteur MEMS piézoélectrique, LETI Grenoble). Paul Ivaldi a rejoint ELA innovation après plusieurs expériences dans le domaine de l’innovation et de l’IOT (SATT AxLR, Aqua Metro).

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