EUR | USD

Bluetooth 5.1-compatibele platforms gebruiken voor nauwkeurige goederenvolgsystemen en binnenhuispositioneringssystemen - Deel 1

Contributed By De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Noot van de redactie: In deel 1 van deze tweedelige serie bespreken we de mogelijkheden van Bluetooth 5.1 Direction Finding, een aanvulling op de energiezuinige Bluetooth-firmware die ontwerpers in staat stelt om op Angle of Arrival (AoA) en Angle of Departure (AoD) gebaseerde locatietoepassingen te ontwikkelen, zoals goederenvolgsystemen en binnenhuispositioneringssystemen (IPS). Vervolgens worden geschikte platforms behandeld waarop de nieuwe functies kunnen worden gebruikt. In deel 2 wordt beschreven hoe op Bluetooth 5.1 Direction Finding gebaseerde toepassingen kunnen worden ontwikkeld en ontwerpers met deze platforms aan de slag kunnen gaan.

De vraag naar locatieservices neemt toe doordat logistieke bedrijven de efficiëntie van hun leveringsketen willen vergroten door goederen in real time te volgen, en bedrijven hun productiviteit willen verbeteren door hun medewerkers en klanten te monitoren. Hoewel de Received Signal Strength Indicator (RSSI) van Bluetooth kan worden gebruikt om de afstand tot een bekend vast punt te schatten, is deze techniek vaak niet nauwkeurig genoeg voor toepassingen zoals een binnenhuispositioneringssysteem (IPS) of goederenvolgsysteem. Een update van de Bluetooth-specificatie biedt hiervoor echter een oplossing.

De nieuwste versie van de Bluetooth Core Specification (v5.1) (op de markt gebracht als "Bluetooth 5.1 Direction Finding") biedt aanvullende Angle of Arrival (AoA)- en Angle of Departure (AoD)-richtingsbepalingsfuncties die het bepalen van de positie van een Bluetooth-zender in twee of drie dimensies veel makkelijker maken.

In dit artikel, het eerste van een tweedelige serie, worden AoA en AoD beschreven en wordt uitgelegd hoe de verbeteringen in de Bluetooth Core Specification de implementatie van de technieken vereenvoudigen. Vervolgens worden geschikte platforms besproken waarop Direction Finding-toepassingen kunnen worden geïmplementeerd.

RF-richtingsbepalingstechnieken

Richtingsbepaling door middel van radiofrequenties (RF) op basis van RSSI biedt afstandsbenadering aan de hand van de signaalsterkte. Door meerdere afstandsmetingen te doen vanaf verschillende punten kan een grotere nauwkeurigheid worden verkregen. Een belangrijk voordeel van RSSI is dat één antenne per apparaat volstaat en er geen complexe, kostbare en grote antenne-arrays nodig zijn. Het nadeel van deze techniek is dat deze met een nauwkeurigheid van 3 tot 5 meter (m) niet erg precies is.

Een tweede veelgebruikte richtingsbepalingstechniek is Time of Arrival (ToA), de tijd die een radiosignaal erover doet om van één enkele zender naar één enkele ontvanger op afstand te reizen. Ook deze methode vereist slechts één antenne per apparaat, maar het nadeel is dat elk apparaat moet zijn voorzien van een zeer nauwkeurige gesynchroniseerde klok. De positienauwkeurigheid van ToA-systemen kan 1 m benaderen.

Met de introductie van de Bluetooth 5.1-specificatie heeft de Bluetooth Special Interest Group (SIG) gekozen voor ondersteuning van een derde richtingsbepalingstechniek, die is gebaseerd op AoA en AoD.

Bij AoA volgt een ontvangend apparaat de invalshoeken van individuele objecten, terwijl bij AoD het ontvangende apparaat zijn eigen positie in de ruimte berekent aan de hand van de hoeken van meerdere bakens en hun posities (afbeelding 1).

Diagram van de AoA-richtingsbepalingsmethode (links) en AoD-methode (rechts)Afbeelding 1: Bij de AoA-richtingsbepalingsmethode (links) zenden (TX) objecten hun locatie naar een AoA-locator die de invalshoek van het signaal meet. Bij de AoD-methode (rechts) zenden bakens AoD-informatie uit die wordt ontvangen (RX) door een mobiel apparaat dat vervolgens zijn positie berekent. In beide gevallen moet het ontvangende apparaat beschikken over de rekenkracht die vereist is om de richting van de zender te bepalen. (Afbeelding: Silicon Labs)

De beslissing om een richtingsbepalingsfunctie op te nemen in Bluetooth 5.1 werd deels genomen omdat sommige bedrijven al eigen AoA- en AoD-oplossingen bieden voor Bluetooth Low Energy (BLE)-producten. Bluetooth 5.1 vereenvoudigt het gebruik van RF-richtingsbepaling door middel van een update van de Core Specification die het makkelijker maakt om "IQ"-signaalgegevens (in-fase- en kwadratuur-fasegegevens) te extraheren uit BLE-pakketten. Dit stelt ontwikkelaars in staat om eenvoudiger locatietoepassingen te implementeren.

Om een voorbeeld te geven: de AoA-methode is geschikt voor het volgen van een zendende BLE-transceiver. De transceiver verzendt via één antenne pakketten met richtingsbepalingsinformatie die worden ontvangen door een "locator" met meerdere antennes. De locator haalt IQ-gegevens uit de signaalpakketten terwijl deze schakelt tussen elke actieve antenne in de array. Hierdoor detecteert de locator het faseverschil van het signaal op basis van het verschil in afstand van elke antenne in de array tot de enkele zendende antenne. Vervolgens gebruikt de positioneringsengine de faseverschilinformatie om de hoek van waaruit de signalen werden ontvangen en daarmee en de richting van de zender te bepalen (afbeelding 2).

Diagram van de invalshoek van een radiosignaalAfbeelding 2: De invalshoek van een radiosignaal kan worden berekend als de signaalfase (θ) bij elke antenne, de golflengte (λ) en de afstand (d) tussen nabijgelegen antennes bekend zijn. (Afbeelding: Bluetooth SIG)

Door de berekende signaalrichting van twee of meer locators te combineren, kan de positie van een zender worden bepaald (afbeelding 3).

Diagram van AoA van signalen bij twee vaste locatorsAfbeelding 3: Door de AoA van signalen bij twee vaste locators te berekenen, kan de positie van een zendend object in drie dimensies worden berekend. Als de absolute coördinaten van de locators bekend zijn, kunnen ook de absolute coördinaten van het zendende object worden berekend. (Afbeelding: Silicon Labs)

Bij de AoD-methode geldt de omgekeerde situatie. In dit scenario verzendt het apparaat met de antenne-array een signaal via elk van zijn antennes. Als elk signaalpakket van de antennes in de array de enkele antenne van de ontvanger bereikt, treedt een faseverschuiving ten opzichte van het vorige signaal op door de verschillende afstand die het vanaf de zender heeft afgelegd (afbeelding 4).

Diagram van antennes en ontvanger bij AoD-methodeAfbeelding 4: Als bij de AoD-methode elk signaalpakket vanaf de antennes in de array de enkele antenne van de ontvanger bereikt, treedt een faseverschuiving ten opzichte van het vorige signaal op door de verschillende afstand die het vanaf de zender heeft afgelegd. (Afbeelding: Bluetooth SIG)

De antenne van het ontvangende apparaat haalt IQ-monsters uit signaalpakketten en stuurt deze naar de positioneringsengine, die de gegevens gebruikt om de hoek van waaruit de signalen zijn ontvangen en daarmee de richting van de zender te bepalen. Dit systeem is geschikt voor toepassingen zoals binnenhuisnavigatie, waarbij de zender een vast referentiepunt is en de ontvanger, bijvoorbeeld, de smartphone van een consument is.

Updates van Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1 vereist wijzigingen in het RF-softwareprotocol (ofwel de "stack") en, afhankelijk van de chipfabrikant, bepaalde verbeteringen in de hardware (radio). Het herziene protocol voegt in de eerste plaats een extensie voor een doorlopende toon (CTE) toe aan Bluetooth-pakketten die worden gebruikt voor richtingsbepaling. (Verder blijven de pakketten ongewijzigd, zodat ze kunnen worden gebruikt voor standaard BLE-communicatie.)

CTE is een pure (d.w.z. ongemoduleerde) toon die op de Bluetooth-draagfrequentie plus 250 kilohertz (kHz) (of soms plus 500 kHz bij gebruik van BLE's hogere doorvoermodus) wordt verzonden gedurende 16 tot 160 microseconden (µs). De toon bestaat uit een "ongewitte" reeks enen die voldoende lang wordt verzonden om de ontvanger in staat te stellen de IQ-gegevens te extraheren zonder de verstorende effecten van modulatie. Omdat het CTE-signaal als laatste wordt verzonden, wordt de cyclische redundantiecontrole (CRC) van het pakket niet beïnvloed.

De tweede belangrijke aanvulling op de specificatie maakt het voor ontwerpers veel eenvoudiger om het protocol te configureren voor uitvoering van de IQ-bemonstering. Deze configuratie omvat de instellingen voor de bemonsteringstiming en antenneschakeling, die essentieel zijn voor de nauwkeurigheid van de positiebepaling.

Hoewel de IQ-bemonsteringstiming op verschillende manieren kan worden geconfigureerd, wordt gewoonlijk elke 1 of 2 µs één IQ-monster geregistreerd binnen de referentieperiode voor elke antenne, en worden de resultaten geregistreerd in het RAM-geheugen van de BLE SoC. Afbeelding 5 laat zien hoe de fase van het ontvangen signaal varieert als het wordt bemonsterd door verschillende antennes in de array.[1]

Grafiek die laat zien hoe het signaal van één enkele zender bij aankomst een andere fase vertoontAfbeelding 5: Een signaal van één enkele zender vertoont een andere fase bij aankomst bij antennes die zich op verschillende afstanden van de bron bevinden. (Afbeelding: Bluetooth SIG)

Registratie van de IQ-monsters is slechts de eerste stap bij het bouwen van een locatietoepassing. Om de taak te voltooien, moeten ontwerpers de optimale antenne-arrays ontwerpen of selecteren voor de locators en bakens die door de toepassing worden gebruikt, en leren omgaan met de complexe algoritmen die vereist zijn om de berekeningen voor de richtingsbepaling uit te voeren.

Signaalrichting berekenen

Antenne-arrays voor richtingsbepaling worden gewoonlijk onderverdeeld in drie typen: uniforme lineaire array (ULA), uniforme rechthoekige array (URA) en uniforme circulaire array (UCA). Zoals de namen al aangeven, is de lineaire array eendimensionaal, terwijl de rechthoekige en circulaire arrays tweedimensionaal zijn. De ULA is het eenvoudigst te ontwerpen en implementeren, maar een nadeel is dat dit type de azimuthoek alleen kan berekenen door aan te nemen dat het gevolgde apparaat zich doorlopend in hetzelfde vlak beweegt. Als dat niet het geval is, wordt de nauwkeurigheid beïnvloed. URA's en UCA's kunnen betrouwbaar zowel azimut- als elevatiehoeken meten (afbeelding 6).

Diagram van AoA- en AoD-richtingsbepalingstechniekenAfbeelding 6: Voor AoA- en AoD-richtingsbepalingstechnieken zijn antenne-arrays vereist, die gewoonlijk een lineaire, rechthoekige of circulaire vorm hebben. Hoewel elk type array informatie over elevatie en azimut kan verkrijgen, bieden het rechthoekige en circulaire type betrouwbaardere azimutgegevens. (Afbeelding: Silicon Labs)

Het ontwerpen van een antenne-array voor richtingsbepaling is niet eenvoudig. Om een voorbeeld te geven: als antennes in een array worden geplaatst, verstoren ze elkaars reacties door wederzijdse koppeling. Om rekening te houden met dergelijke effecten, moeten schattingsalgoritmen vaak worden voorzien van voorgedefinieerde array-reacties. Bij één populair commercieel algoritme wordt bijvoorbeeld rekenkundig verondersteld dat de array uit twee identieke sub-arrays bestaat. Voor ontwerpers die de vereiste kennis missen zijn er gelukkig commerciële antenne-arrayproducten met gedefinieerde eigenschappen op de markt.

Een effectieve antenne-array verzekert dat er nauwkeurige IQ-monsters worden verzameld. De ruwe gegevens zijn echter niet voldoende om de signaalrichting te bepalen. De gegevens moeten worden bewerkt om rekening te houden met ontvangst via verschillende paden, signaalpolarisatie, propagatievertraging, jitter en ruis.

Omdat RF-richtingsbepaling geen nieuwe discipline is, bestaan er diverse in de praktijk beproefde rekentechnieken voor het schatten van de invalshoek op basis van IQ-monsters. De probleemomschrijving is eenvoudig: schatten van de invalshoek (de berekening voor de vertrekhoek is vergelijkbaar) van een uitgezonden (smalband)signaal bij de ontvangende array. De wiskunde die nodig is om het probleem op te lossen is echter niet zo simpel.

Eenvoudig gesteld: voor een gegeven dataset van IQ-monsters voor elke antenne in de array berekenen de commerciële algoritmen eerst een gegevensvector "x" op basis van de volgende formule (waarbij wordt aangenomen dat de signalen faseverschoven en geschaalde sinusoïdale (smalband)signalen zijn):

Vergelijking 1 Vergelijking 1

Waarbij "a" een wiskundig model voor de antenne-array is (de "stuurvector"),

"s" het inkomende signaal is en "n" een ruisterm is.

Vervolgens wordt X gebruikt om de covariantiematrix van het IQ-monster "Rxx" te berekenen door middel van de formule:

Vergelijking 2 Vergelijking 2

Daarna wordt de monstercovariantiematrix gebruikt als input voor het belangrijkste schattingsalgoritme. Een van de populairste en meest beproefde algoritmen voor frequentieschatting en radiorichtingsbepaling is MUltiple SIgnal Classification (MUSIC). In technische termen gebruikt MUSIC de decompositie van eigenvectors en eigenwaardes van de covariantiematrix om AoA te schatten op basis van de eigenschappen van de subruimtes van het signaal en de ruis.

De gebruikte formule is:

Vergelijking 3 Vergelijking 3

Waarbij "A" een diagonale maxtrix is die de eigenwaardes bevat en "V" een matrix is die de corresponderende eigenvectors bevat.

Nadat V is geïsoleerd kan deze worden gebruikt in een formule die een pseudospectrum genereert met een piek die optreedt bij de invalshoek van het ontvangen signaal (vergelijking 4):

Vergelijking 4 Vergelijking 4

Het resulterende spectrum neemt de weergegeven vorm aan, met de piek in de richting van waaruit het verzonden signaal aankomt (afbeelding 7).[2]

Grafiek die laat zien hoe het MUSIC-algoritme IQ-monsters gebruikt om een vermogens-pseudospectrum te genererenAfbeelding 7: Het MUSIC-algoritme gebruikt IQ-monsters om een vermogens-pseudospectrum te genereren met een piek die de positie van het zendapparaat aangeeft. In dit voorbeeld wordt een 2D-pseudospectrum getoond, waarbij het zendapparaat zich op een azimuthoek van 50 graden en een elevatiehoek van 45 graden bevindt. (Afbeelding: Silicon Labs)

Het gebruik van richtingsbepalingsalgoritmen vereist veel rekenkracht en een grote RAM- en flashgeheugencapaciteit.

Er zijn al Bluetooth 5.1-producten met de vereiste mogelijkheden op de markt. Dialog Semiconductor biedt bijvoorbeeld de DA14691 Bluetooth 5 LE SoC voor locatietoepassingen. De chip is voorzien van een Arm® Cortex®-M33-microprocessor en biedt 512 Kbytes RAM. Silicon Labs heeft een Bluetooth 5.1-stack geïntroduceerd voor zijn EFR32BG13 BLE SoC; de chip is voorzien van een Arm Cortex-M4-microprocessor met 64 Kbytes RAM en 512 Kbytes flash.

Nordic Semiconductor gaat nog een stap verder met zijn nieuwe "Direction Finding"-hardware, in de vorm van de nRF52811. Deze BLE SoC is compatibel met Bluetooth 5.1 en combineert een Arm Cortex M4-microprocessor met de multiprotocolradio van Nordics geavanceerde nRF52840 draadloze SoC. De chip biedt 192 Kbytes flash en 24 Kbytes RAM.

In deel 2 van dit artikel wordt uitgelegd hoe ontwikkelingsplatforms op basis van deze SoCs en stacks (samen met aanvullende componenten zoals antenne-arrays, aanvullende microprocessors met de bijbehorende geheugencapaciteit en "location engine"-firmware) kunnen worden gebruikt om praktische locatietoepassingen te implementeren, zoals goederenvolgsystemen en IPS.

Conclusie

De recente verbeteringen in de Core Specification van Bluetooth 5.1 vergemakkelijken de toegang tot IQ-gegevens. De gegevens kunnen worden gebruikt als input voor RF-richtingsbepalingsalgoritmen waarmee de AoA of AoD van een Bluetooth-radiozending kan worden berekend. Deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om de positie van een zender in twee of drie dimensies te bepalen.

Maar hoewel de algoritmen kunnen worden gebruikt als basis voor praktische locatietoepassingen zoals goederenvolgsystemen en IPS, is hun nauwkeurigheid afhankelijk van een goed ontworpen antenne-array, een beproefd RF-richtingsbepalingsalgoritme en voldoende processor- en geheugencapaciteit voor uitvoering van de complexe berekeningen.

Zoals in deel 2 van deze serie wordt uitgelegd, maakt de beschikbaarheid van commerciële Bluetooth 5.1 Direction Finding-platforms, antenne-arrays en "location engine"-firmware het makkelijker voor ontwerpers om nauwkeurige locatietoepassingen te bouwen (hoewel dit nog steeds niet eenvoudig is).

Verwijzingen

  1. Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, maart 2019.
  2. Understanding Advanced Bluetooth Angle Estimation Techniques for Real-Time Locationing, Sauli Lehtimaki, Silicon Labs, 2018

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key