Mit ihren bekannten Audio-Streaming- und Datenübertragungskapazitäten ist die Bluetooth®-Technologie zu einem allgegenwärtigen Teil unseres Lebens geworden und versorgt alles von drahtlosen Kopfhörern bis hin zu Smart-Home-Geräten. Aber wussten Sie, dass Bluetooth dank einer bahnbrechenden Technik namens Bluetooth Channel Sounding jetzt auf dem Weg zu hochpräzisen Ortungsdiensten ist?

In diesem Blog werden wir untersuchen, was Bluetooth Channel Sounding ist, wie es funktioniert, welche Vorteile es für Ortungsdienste mit sich bringt, welche Anwendungsfälle von der hochpräzisen Entfernungsmessung (HADM) profitieren und warum es so bahnbrechend ist Welt der Konnektivität.

Abbildung 1 Warum Bluetooth Channel Sounding zu hochpräzisen Ortungsdiensten führt

Was ist Bluetooth Channel Sounding ?

Channel Sounding, früher bekannt als High Accuracy Distance Measurement (HADM), ist eine neue Technik zur Berechnung der Entfernung zwischen zwei Bluetooth-Geräten. Es verwendet phasenbasierte Entfernungsmessung (PBR) auf mehreren Kanälen, um eine genaue Entfernungsmessung zu erhalten.

Klingt es komplex? Im Kern ist das Prinzip des Channel Sounding einfach.

Wie funktioniert Bluetooth Channel Sounding ?

Schauen Sie sich das Bild des Channel Sounding-Verfahrens an und lassen Sie uns das Prinzip auf einfache Weise erkunden.

Abbildung 2 Das Channel Sounding-Verfahren

Gerät A sendet ein Funksignal an Gerät B, woraufhin Gerät B die Phase dieses Signals misst und es mit derselben Phase an Gerät A zurücksendet. Anschließend bewertet Gerät A die Phasenvarianz zwischen den gesendeten und empfangenen Funksignalen, um die von diesen Signalen zum Zeitpunkt des Fluges zurückgelegte Entfernung zu bestimmen.

Dieser Vorgang wird über verschiedene Kanalfrequenzen mehrfach wiederholt, wodurch die Bluetooth-Geräte anhand der Phasendaten eine eindeutige Entfernung präzise abschätzen können.

Die kommende Funktion bringt gute Nachrichten für die wachsende Zahl von Bluetooth-Geräten, insbesondere für solche mit Ortungsdiensten.

Was sind die Vorteile von Bluetooth-Ortungsdiensten mit Channel Sounding ?

Die Vorteile von Bluetooth-Ortungsdiensten mit Channel Sounding sind enorm und wirkungsvoll. Hier sind die wichtigsten Vorteile:

Hohe Genauigkeit von bis zu 10 cm

Trotz der nachgewiesenen Nützlichkeit bestehender Bluetooth-Entfernungsmessungstechnologien kann ihre Präzision bei der Entfernungsmessung für anspruchsvollere Anwendungsfälle unzureichend sein.

Die Technik des allgegenwärtigen Empfangssignalstärkeindikators (RSSI) , die auf allen Smartphones verfügbar ist, schätzt die Entfernung zwischen zwei Geräten anhand der Abnahme der Signalamplitude. Bedauerlicherweise ist die Genauigkeit dieser Methode im Allgemeinen begrenzt und liegt oft zwischen drei und fünf Metern. Darüber hinaus bleibt RSSI anfällig für Störungen durch externe Faktoren wie Absorption und Beugung.

Danach werden fortgeschrittenere Techniken zur Genauigkeit der Entfernungsmessung entwickelt – der Ankunftswinkel (Angle of Arrival, AoA) und der Abflugwinkel (Angle of Departure, AoD) . Anstatt die Entfernung direkt zu schätzen, nutzen AoA und AoD Trigonometrie, um Entfernungen aus den Winkeln eingehender oder ausgehender Funksignale abzuleiten. Mit dieser Methode kann eine Genauigkeit im Submeterbereich erreicht werden.

Dennoch kann die Genauigkeit aufgrund der Umstände erheblich schwanken. Beispielsweise kann die Mehrwegeausbreitung genaue Messungen in Innenräumen mit vielen Hindernissen und reflektierenden Oberflächen beeinträchtigen.

Dies führt uns zu Bluetooth® Channel Sounding, der neuesten drahtlosen Technologie für hochpräzise Ortungsdienste. Der wesentliche Unterschied zwischen herkömmlichen Bluetooth-Entfernungsmessungstechnologien und Channel Sounding ist die Messmethode.

Mit der phasenbasierten Entfernungsmessung erreicht die Bluetooth-Kanalsondierung eine Genauigkeit von 10 cm. Selbst wenn sich das Gerät in anspruchsvollen Innenräumen befindet, kann es eine präzisere Positionsbestimmung durchführen als mit den beiden vorherigen Techniken. Daher wird Channel Sounding eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen, z. Asset-Tracking und Indoor-Navigation.

Erhöhte Sicherheit gegen Signalmanipulation

RSSI hat neben der geringen Genauigkeit noch einen weiteren Nachteil, nämlich ein Sicherheitsrisiko. Seine Signalpegel können manipuliert werden, was in Hochsicherheitssituationen möglicherweise zu Verstößen führen kann. In sicherheitsrelevanten Anwendungsfällen wie intelligenten Türsystemen könnte ein Angreifer beispielsweise den RSSI-Level erhöhen, um das System so zu täuschen, dass es jemanden näher wahrnimmt, als er wirklich ist. Diese Schwachstellen machen RSSI für Hochsicherheitsanwendungen ungeeignet.

Beim Bluetooth Channel Sounding übernimmt die Verbindungsschicht Verfahren für Werbung, Scannen, Verbindungsmanagement, asynchrone und isochrone Datenkommunikation und Datenverschlüsselung. Darüber hinaus kann sein phasenbasierter Ranging-Algorithmus Relay-Angriffe verhindern. Die herausragende Entfernungsmesstechnik eignet sich für Autozugangskontrollsysteme, digitale Schlüssel und Hochsicherheitsanwendungen.

Kostengünstige Positionierungslösung

Der Ankunftswinkel (AOA) erfordert mehrere Bluetooth-Antennen (mindestens drei), um eine präzise Messung zu erhalten.

Vielleicht fällt Ihnen jetzt eine andere hochpräzise Technologie ein – Ultra-Wideband (UWB). Während UWB sogar eine Genauigkeit im Subzentimeterbereich erreichen kann, ist dafür der Einbau eines neuen Chipsatzes erforderlich. Darüber hinaus sinkt der Stromverbrauch zwar schnell, bleibt aber deutlich höher als der von BLEs. Daraus folgt, dass Ultra-Wideband (UWB) eine verbesserte Genauigkeit bietet, allerdings auf Kosten eines höheren Budgets und einer höheren Komplexität.

Abgesehen von den beiden oben genannten Vorteilen sind Einzelantennen-Bluetooth-LE-Lösungen mit Channel Sounding kostengünstiger als UWB-Lösungen.

Nahtlose Integration und Interoperabilität

Bluetooth Channel Sounding wird durch die bestehende Bluetooth-Technologie eingeführt und erleichtert die nahtlose Integration in bestehende Infrastrukturen und Geräte. Dies bedeutet, dass Unternehmen und Entwickler schnell und einfach auf eine sichere, kostengünstige und genaue Positionierungslösung zugreifen können, ohne dass zusätzliche Chipsätze erforderlich sind.

Die beispiellose Genauigkeit, Sicherheit und Flexibilität von Bluetooth Channel Sounding überwinden bei vielen Anwendungen Grenzen. Welche Anwendungsfälle werden die Technologie wahrscheinlich übernehmen?

Welche Anwendungsfälle bevorzugen eine hochpräzise Distanzmessung ( HADM ) ?

Die Anwendungen der hochgenauen Distanzmessung (HADM) sind vielfältig. Hier sind einige Anwendungsfälle, die erheblich von dieser neuen Technologie profitieren können:

Indoor-Navigation : In großen Einkaufszentren kann die Kombination von Channel Sounding mit anderen neuen Bluetooth-Technologien wie ESL-Protokollen (Electronic Shelf Label) das Indoor-Navigationserlebnis revolutionieren und Benutzern präzise Wegbeschreibungen und Aktualisierungen in Echtzeit bieten.

Asset-Tracking : Bluetooth-basierte Systeme wurden weithin für die Asset-Tracking in Industrie- und Lagerumgebungen kommerzialisiert. Diese Systeme nutzen auch die vorhandene Bluetooth Low Energy-Technologie, um Leistungsstandards zu erfüllen. Entwickler können Channel Sounding verwenden, um die Positionierungsgenauigkeit dieser Systeme zu verbessern. Dies trägt nicht nur dazu bei, Verlust oder Diebstahl zu verhindern, sondern verbessert auch die betriebliche Effizienz durch die Optimierung der Bestandsverwaltungsprozesse.

Darüber hinaus bietet es erweiterte Funktionen für einige der anspruchsvolleren verfügbaren Systeme, wie z. B. Echtzeit-Athleten-Tracking im Profisport.

Schlüsselloser Fahrzeugzugang : Channel Sounding bietet mehrere Vorteile für den schlüssellosen Fahrzeugzugang . Diese Technologie bietet eine höhere Genauigkeit im Vergleich zu älteren Systemen, die zur Entfernungsschätzung auf RSSI (Receive Signal Strength Indication) angewiesen sind. Dies ermöglicht es Automobilherstellern, Genauigkeitsstandards einzuhalten und gleichzeitig die Anzahl der Bluetooth-Antennen in Fahrzeugen zu reduzieren. Dadurch werden die Gesamtkosten eines Phone as a Key (PaaK) gesenkt. Darüber hinaus blockiert die Channel Sounding-Sicherheit verschiedene potenzielle Angriffe auf das schlüssellose Zugangssystem.

Kurz gesagt, die hohe Sicherheit und Genauigkeit im Vergleich zu früheren Generationen der Bluetooth-Ortung, gepaart mit dem niedrigen Stromverbrauchsprofil und den niedrigen Kosten, machen Bluetooth Channel Sounding ideal für Anwendungen wie Industrie-/Lager-/Verbraucher-Asset-Tracking, ESL-Systeme, Echtzeit-Sport/ Fitness-Tracking und digitale Autoschlüssel .

Die Perspektive des RF-Stars

Texas Instruments (TI) arbeitet aktiv mit der SIG an der Spezifikation der Bluetooth Channel Sounding-Technologie. TI CC2340R5 und kommende Bluetooth LE-Chipsätze werden die neue Technik im RF-Kern und Bluetooth-Stack unterstützen.

Als weltweit führender Anbieter von Bluetooth LE-Lösungen und einer der IDH von TI widmet sich RF-star der Bluetooth Low Energy-Innovation. Seine CC2340 Bluetooth LE-Module, die auf TI CC2340R5-Chipsätzen basieren, werden künftig Channel Sounding-Modi unterstützen. Sie werden Verbraucher-IoT-, Industrie- und Automobilanwendungen mit hochpräzisen, kostengünstigen und sicheren Entfernungslösungen versorgen. RF-star ist davon überzeugt, dass diese innovativen Lösungen, die auf dieser bahnbrechenden Technologie basieren, in den nächsten Jahren eine entscheidende Rolle bei drahtlosen Ortungssystemen spielen werden.

Derzeit kann die UWB-Technologie eine Entfernungsmessung im Sub-cm-Bereich erreichen, kann jedoch im Hinblick auf Kosten und Branchenökosystem noch nicht mit Bluetooth Channel Sounding mithalten. RF-Star geht davon aus, dass Channel Sounding andere Technologien wie UWB-Impulsfunk möglicherweise nicht vollständig ersetzen wird. Hybridlösungen, die mehrere Entfernungsmessungsmethoden kombinieren, könnten sich in Zukunft durchsetzen.

Für weitere Informationen zum Bluetooth Channel Sounding folgen Sie bitte dem Blog von RF-star oder kontaktieren Sie unsere Experten unter info@szrfstar.com