Die Realisierungstheorie Des Bluetooth 5.1 AoA Location Service-rfstariot.com

Die Realisierungstheorie des Bluetooth 5.1 AoA Location Service May 27, 2021

Nach zwei Jahren Marktentwicklung Bluetooth-AoA erreicht zwei unterschiedliche Anwendungen: Indoor-Positionierung , und schlüsselloser Zugang . Informieren Sie sich über die Indoor-Positionierung.

Nach zwei Jahren Marktentwicklung erreicht Bluetooth AoA zwei verschiedene Anwendungen: Indoor Positioning und Keyless Entry. Informieren Sie sich über die Indoor-Positionierung.

1. Zusammenfassung der Indoor-Positionierungstechnologie

Es gibt vier Lösungen für die Indoor-Positionierung: UWB, W-lan , BLE Leuchtfeuer/ BLE AoA . Für den Genauigkeitsbereich beträgt UWB 0,1 m ~ 1 m; Wi-Fi und BLE Beacon ist 5 m ~ 20 m mit einem größeren Fehlerbereich. Als erstes kommerzielles BLE-AoA-Positionierungsdienstleistungsunternehmen kann Quuppa den Genauigkeitsbereich innerhalb von 0,1 m bis 1 m steuern (mit den Chips TI CC254x und Nordic nRF5281x).

Das Folgende sind die Testdaten von Quuppa.

2. Analyse der Indoor Positioning Theorie

Unabhängig von der Art der Positionierungsmethode muss das Indoor-Positionierungssystem die Architekturmodellierung der tatsächlichen Szene, stellen Sie den Empfängerrouter im Innenbereich auf und markieren Sie den entsprechenden Ort auf der Modellierungskarte. Das Mobiltelefon oder das Beacon-Modul sendet drahtlose Signale . Der in a . eingesetzte Empfängerrouter fixierte Position kann den Standortbereich des Beacons bestätigen, nachdem die Funksignale empfangen wurden.

Die Ankunftswinkel des Beacon-Signals kann von mehreren Antennen gemessen werden, nachdem die Reichweite des Standorts bestätigt wurde. In Kombination mit der Triangulationspositionierung kann die genaue Position der Bakenausrüstung berechnet werden.

Triangulation

Bei der Triangulation wird die Position des Beacon-Geräts durch zwei Sätze von AoA-Daten gemessen. Wie in der Abbildung unten gezeigt, können zwei Antennensätze einen AoA-Datensatz und zwei AoA-Daten die Position von Gerät A messen. Sowohl d als auch D sind bekannte Parameter, wie wir θ1 und θ2 erhalten können.

3. AoA Messtheorie

Frequenz : Bluetooth arbeitet im ISM-Band (Industrial Scientific and Medical) von 2,40 GHzto 2,41 GHz mit einer Bandbreite von 2 MHz. Bluetooth ist in drei Broadcast-Kanäle 37, 38 und 39 unterteilt. In der Bluetooth v5.x Core-Spezifikation kann der Extended Broadcast des Bluetooth LE in jedem Kanal von 0 bis 39 gesendet werden, d. h. der Bluetooth v5.1 Beacon kann auf jedem Bluetooth-Kanal arbeiten. (Die Bluetooth-Frequenz ist im Betrieb inkonsistent, was sich auf die Bluetooth-Wellenlänge λ auswirkt.)

Phase: Das Funksignal ist kontinuierlich in der Luft. Der RX-Empfänger empfängt und demoduliert das Signal des gesamten Wellenzyklus von 0 ~ 2 π unter dem Frequenzbereich.

AoA-Berechnung : Angenommen, es wird ein Festfrequenz-Bluetooth-Beacon-Signal in einem offenen Bereich gesendet (ohne Berücksichtigung von Hindernissen und anderen 2,4-GHz-Signalstörungen in der Luft). Wenn sich die beiden Empfänger auf demselben Radius und am selben TX-Ende befinden, sollte zu einem bestimmten Zeitpunkt t die vom RX-Empfänger empfangene Phasendifferenz 0 sein. Wenn sich der Empfänger jedoch in einer Position mit einem inkonsistenten Radius befindet, zu einem bestimmten Zeit t gibt es einen Unterschied in der Phase des RX-Empfängers.

Wenn die obigen Diagramme nicht leicht zu verstehen sind, wechseln wir zu den folgenden Diagrammen, um den Schaltplan zu zeigen. Bei der Signalübertragung ist aufgrund unterschiedlicher Antennenpositionen die Phase des zu einem bestimmten Zeitpunkt t abgetasteten Signals unterschiedlich.

Anmerkung: Prinzipiell kann die Phasendifferenz mit zwei Antennen berechnet werden, und ein Mehrantennen-Array kann helfen, die Entstörungsleistung zu verbessern.

Wenn der Abstand d der beiden Antennen und die Frequenz (Wellenlänge) des Beacon-Signals bekannt sind, kann die Phasendifferenz θ zwischen dem Beacon-Signal und der Antenne 1, Antenne 2 berechnet werden. Nach der Berechnung der beiden Sätze von θ an unterschiedlichen Positionen kann die Position des Bakensignals berechnet werden.

AoA-Messfehler

Nimmt man eine zweidimensionale Ebene als Beispiel, dann gibt es zwei Winkel von α. Und in realen dreidimensionalen Koordinaten gibt es eine Bahn eines Kreises mit einem Radius von α. Der AoA-Empfänger weiß nur, dass sich das Beacon-Signal auf der Flugbahn des Kreises befindet, kann jedoch nicht beurteilen, wo sie sich auf dem Kreis befinden. Zu diesem Zeitpunkt wird ein orthogonales Antennenarray benötigt, um die Positionskoordinaten des Bakenpunkts zu bestätigen.

Antennen-Arrays können auf verschiedene Weise angeordnet werden. Eine Mission ist die Positionierung und die andere Mission besteht darin, die Anzahl der Empfängereinsätze zu minimieren. Die gebräuchlichen Antennen-Array-Bereitstellungen sind unten dargestellt.

Beispiel für Antennen-Array

TI EVM-Antennen-Array

Quuppa Empfänger-Antennen-Array

4. Bluetooth 5.1 AoA-Softwarebereitstellung

Entsprechende Vorgaben für das AoA-Protokoll im Logical Link Layer hat die SIG in der Bluetooth 5.1 Core Specification gemacht.

AoA / AoD kann unter 1M oder 2M regulärem PHY arbeiten (die Codierung von PHY wird nicht unterstützt) und kann den Broadcast-Modus und den Verbindungsmodus unterstützen. An das Datenübertragungsformat werden folgende Anforderungen gestellt: Im PDU-Datenpaket ist die AoA/AoD-Spezifikation standardisiert. CTE sind die erweiterten Daten des AoA / AoD-Datenpakets und die Dauer beträgt 16 μs – 160 μs. Die 250-kHz-Signalmodulation erfolgt auf der Trägerwelle ohne Whitening und CRC-Validierung. Das Signal wird vom Empfänger RX verwendet, um den Signal-I/Q-Wert zum Zeitpunkt t abzutasten und die Phasendifferenz zu berechnen.

5. Herausforderungen beim AoA-Design

Signalreflexionsstörung

Die obige Diskussion findet unter idealen Bedingungen mit einer offenen Umgebung und ohne andere Signalstörungen statt. In den realen Szenen empfängt der Empfänger RX das Reflexionssignal von sich selbst oder andere AoA- und Beacon-Signale, und das Reflexionssignal trägt auch CTE-erweiterte Datenpakete, jedoch handelt es sich um Rauschsignale, die eliminiert werden müssen.

Schaltzeitkompensation

Ein HF-Kern steuert mehrere HF-Antennen. Die Schaltzeit des HF-Schalters sollte mit Ausnahme der Zeit der Signalübertragung in der Luft kompensiert werden.

Winkelwertfehler

Es muss ein Fehler bei der Messung vorliegen und der Fehlerbereich beträgt normalerweise 3% ~ 5%. Es braucht einen Algorithmus, um den Fehler zu reduzieren.