La teoría de la realización del servicio de ubicación Bluetooth 5.1 AoA May 27, 2021
Después de dos años de desarrollo del mercado, Bluetooth AoA logra dos aplicaciones diferentes: posicionamiento interior , y entrada sin llave . Conozcamos el posicionamiento en interiores.

Después de dos años de desarrollo del mercado, Bluetooth AoA logra dos aplicaciones diferentes: posicionamiento en interiores y entrada sin llave. Conozcamos el posicionamiento en interiores.


1. Resumen de la tecnología de posicionamiento en interiores

Hay cuatro soluciones para el posicionamiento en interiores: UWB, Wifi , BLE Faro/ BLE AoA . Para el rango de precisión, UWB es de 0,1 m ~ 1 m; La baliza Wi-Fi y BLE es de 5 m ~ 20 m con un rango de error mayor. Como la primera empresa comercial de servicios de posicionamiento BLE AoA, Quuppa puede controlar el rango de precisión dentro de 0,1 m ~ 1 m (con los chips TI CC254x y Nordic nRF5281x).


Los siguientes son los datos de prueba de Quuppa.
2. Análisis de la teoría del posicionamiento en interiores
No importa qué tipo de método de posicionamiento, el sistema de posicionamiento interior necesita dibujar el modelado arquitectónico de la escena real, despliegue el enrutador receptor en el área interior y marque la ubicación correspondiente en el mapa de modelado. El teléfono móvil o la emisión del módulo de baliza. señales inalámbricas . El enrutador receptor desplegado en un posición fija puede confirmar el rango del área de ubicación de la baliza después de recibir las señales inalámbricas.

los ángulo de llegada de la señal de baliza se puede medir por múltiples antenas después de confirmar el rango del área de ubicación. Combinado con el posicionamiento de triangulación, se puede calcular la posición precisa del equipo de baliza.

Triangulación

La triangulación consiste en medir la posición del dispositivo de baliza a través de dos conjuntos de datos de AoA. Como se muestra en la figura siguiente, dos conjuntos de antenas pueden medir un dato AoA, y dos datos AoA pueden medir la posición del dispositivo A. Tanto d como D son parámetros conocidos, cómo podemos obtener θ1 y θ2.

3. AoA Teoría de la medición

Frecuencia : Bluetooth funciona en la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) desde 2,40 GHzto 2,41 GHz con un ancho de banda de 2 MHz. Bluetooth se divide en tres canales de transmisión 37, 38 y 39. En la especificación principal de Bluetooth v5.x, la transmisión extendida de Bluetooth LE se puede transmitir en cualquier canal de 0 a 39, es decir, la baliza Bluetooth v5.1 puede funcionar en cualquier canal Bluetooth. (La frecuencia de Bluetooth es inconsistente cuando está funcionando, lo que afectará la longitud de onda de Bluetooth λ).


Fase: la señal inalámbrica es continua en el aire. El receptor RX recibe y demodula la señal de todo el ciclo de onda de 0 ~ 2 π por debajo del rango de frecuencia.

Cálculo de AoA : Suponiendo que hay una señal de baliza Bluetooth de frecuencia fija transmitiendo en un área abierta (ignorando obstáculos y otras interferencias de señales de 2.4 GHz en el aire). Si los dos receptores están en el mismo radio y en el mismo extremo TX, en un cierto tiempo t, la diferencia de fase recibida por el receptor RX debe ser 0. Pero si el receptor está en una posición con un radio inconsistente, en un cierto tiempo t, hay una diferencia en la fase del receptor RX.

Si los diagramas anteriores no son fáciles de entender, cambiemos a los siguientes diagramas para mostrar el esquema. En el proceso de transmisión de la señal, debido a las diferentes posiciones de la antena, la fase de la señal muestreada en un cierto tiempo t es diferente.


Observación: En principio, la diferencia de fase se puede calcular con dos antenas, y una matriz de múltiples antenas puede ayudar a mejorar el rendimiento antiinterferente.


Cuando se conocen la distancia d de las dos antenas y la frecuencia (longitud de onda) de la señal de la baliza, se puede calcular la diferencia de fase θ entre la señal de la baliza y la antena 1, antena 2. Después de calcular los dos conjuntos de θ en diferentes posiciones, se puede calcular la posición de la señal de baliza.

Error de medición de AoA

Tomando un plano bidimensional como ejemplo, habrá dos ángulos de α. Y en coordenadas tridimensionales reales, habrá una trayectoria de un círculo con un radio de α. El receptor de AoA solo sabe que la señal de la baliza está en la trayectoria del círculo, sin embargo, no puede juzgar dónde están en el círculo. En este momento, se necesita una red de antenas ortogonales para confirmar las coordenadas de posición del punto de baliza.




Los conjuntos de antenas se pueden organizar de diversas formas. Una misión es el posicionamiento y la otra misión es minimizar el número de despliegues de receptores. A continuación, se muestran las implementaciones de conjuntos de antenas comunes.

Ejemplo de matriz de antenas


Matriz de antenas TI EVM

Matriz de antenas del receptor de Quuppa




4. Implementación del software Bluetooth 5.1 AoA

El SIG ha realizado las especificaciones correspondientes para el protocolo AoA en la capa de enlace lógico en la especificación principal de Bluetooth 5.1.


AoA / AoD puede funcionar con PHY normal de 1M o 2M (no se admite la codificación PHY) y puede admitir el modo de transmisión y el modo de conexión. El formato de transmisión de datos tiene los siguientes requisitos: en el paquete de datos de la PDU, la especificación AoA / AoD está estandarizada. CTE son los datos extendidos del paquete de datos AoA / AoD, y la duración es de 16 μs – 160 μs. La modulación de la señal de 250 kHz está en la onda portadora sin blanqueamiento ni validación CRC. El receptor RX utiliza la señal para muestrear el valor I / Q de la señal en el tiempo t y calcular la diferencia de fase.

5. Desafíos del diseño del AoA


Interferencia de reflexión de señal


La discusión anterior se realiza en condiciones ideales con un entorno abierto y sin ninguna otra interferencia de señal. En las escenas reales, el receptor RX recibirá la señal de reflexión de sí mismo u otras señales de baliza y AoA, y la señal de reflexión también transportará paquetes de datos extendidos CTE, sin embargo, son señales de ruido que deben eliminarse.

Compensación de tiempo de conmutación

Un núcleo de RF controla varias antenas de RF. El tiempo de conmutación del interruptor de RF debe compensarse excepto el tiempo de transmisión de la señal en el aire.

Error de valor de ángulo

Debe haber un error en la medición y el rango de error suele ser del 3% al 5%. Necesita un algoritmo para reducir el error.



6. Proveedor de chips AoA

Texas Instruments AoA


Silicon Labs AoA


Diálogo AoA


AoA nórdico

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