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Ortungsdienste in Innenräumen mit der Bluetooth®-Core-Spezifikation v5.1 Angle of Arrival (AoA) verbessern

AoA und deren Einsatz näher erklärt. Autor: Denis Zebrowski, Field Applications Systems Engineer, onsemi.

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Ortungsdienste in Innenräumen mit der Bluetooth®-Core-Spezifikation v5.1 Angle of Arrival (AoA) verbessern

Bluetooth AoA ist für Anwendungen im Gesundheitswesen zunehmend gefragt

Die Bluetooth® Core Specification v5.1 ist ein bedeutender Fortschritt in der Entwicklung der Bluetooth-Technik, gerade im Hinblick auf die Ortungsfunktion. Sie verbessert die Präzision von Ortungsdiensten, was für Anwendungen wie Navigation in Innenräumen und Asset-Verfolgung entscheidend ist.

Bluetooth-Ortung ist eine neue Technik, die Ortungsdienste verschiedener Geräte verbessert. Zwei Methoden stehen zur Auswahl: Angle of Arrival (AoA) und Angle of Departure (AoD).

Im Einzelhandel werden Datenmodelle, die Einblick in Materialfluss, Nutzung und Verhaltensmuster bieten, intensiv weiterentwickelt, um geschäftsbezogene Leistungskennzahlen (KPIs; Key Performance Indicators) wie Servicedauer, meistgenutzte Routen, Hotspots und andere Kennzahlen zum Verbraucherverhalten zu generieren.


Ortungsdienste in Innenräumen mit der Bluetooth®-Core-Spezifikation v5.1 Angle of Arrival (AoA) verbessern
Visualisierung von Daten und meistgenutzter Routen auf dem Grundriss eines Einzelhandelsgeschäfts

Die Vielseitigkeit von Bluetooth-Ortungsmethoden, z. B. verbindungslose (eng: connectionless) und verbindungsorientierte (eng: connection-oriented) Betriebsmodi, macht sie für noch mehr Anwendungen anpassbar und verspricht neue Möglichkeiten im Bereich der drahtlosen (Funk-)Kommunikation und Ortungsdienste.

AoA und die grundlegenden Designprinzipien
AoA und AoD nutzen dieselben grundlegenden Prinzipien der HF-Signalmessung, unterscheiden sich jedoch in ihrem Ansatz bei der Signalverarbeitung und den Antennenkonfigurationen. Durch eine bestimmte Antennenanordnung können Geräte die Richtung eines Signals mit größerer Genauigkeit als je zuvor bestimmen.


Ortungsdienste in Innenräumen mit der Bluetooth®-Core-Spezifikation v5.1 Angle of Arrival (AoA) verbessern
AoA-Ortungssystem im Überblick

Das Ortungssystem besteht aus folgenden Elementen:

  • Sender (AoA-Tag)
  • Empfänger (AoA-Locator)
  • Winkel- und Positionsverarbeitungseinheit

Bei der von Bluetooth verwendeten Ortungstechnik sendet ein Sender ein CTE-Signal (Constant Tone Extension). Der Empfänger, der mit mehreren Antennen ausgestattet ist, verwendet dieses Signal dann, um die Richtung der Quelle zu bestimmen.

Die Hauptprinzipien der AoA-Mechanismen in verbindungslosem Verfahren lassen sich in wenigen Schritten zusammenfassen:

  • Tags initiieren die Kommunikation, indem sie über ihre Bereitschaft anhand von Extended Advertising Verfahren auf Primärkanälen (eng: primary channels) die umliegenden Locators informieren
  • Die Locators scannen das Umfeld in Suche nach den Advertising Paketen (eng: packets), damit sie sich mit den Tags synchronisieren können.
  • Danach folgt ein periodisches (eng: periodic) Advertising Verfahren, der wieder von den Tags auf Sekundärkanälen (eng: secondary channels) initiiert wird, und das ein CTE-Signal enthält.
  • Das CTE-Signal wird von den Locators abgetastet und erzeugt einen Datensatz, der als IQ-Samples bezeichnet wird.
  • Diese IQ-Samples werden von einem Winkelrechner (eng: angle calculator) verarbeitet, der den Winkel zwischen dem Tag und dem Locator bestimmt.
  • Sind die Winkel zwischen einem Tag und mehreren Locators bekannt, trianguliert das System die Position des Tags und ermöglicht so eine präzise Standortverfolgung im verbindungslosen AoA-Modus.


Ortungsdienste in Innenräumen mit der Bluetooth®-Core-Spezifikation v5.1 Angle of Arrival (AoA) verbessern
Datenfluss des AoA-Ortungssystems

Gibt ein Sender ein Signal ab, bewegt es sich in drei Dimensionen vom Sender weg. Die Zeit des Empfangs ist von der geometrischen Form der Antennen und Datenübertragungsmodi abhängig. BLE AoA wird mit dem CODED PHY Modus umgesetzt, der mit BLE Version 5.0 eingeführt wurde um die Anforderungen für die verbesserte Resilienz gegen die Signalstörungen in den geschlossenen Räumen (eng: indoor applications) zu adressieren.

Außer dem üblichen GFSK (eng: Gaussian Frequency Shift Keying) Modulierungsmodus, nutzt BLE CODED zwei Fehlererkennungscode-Techniken, nämlich S2 und S8 die auch als eine Maßnahme der Fehlerkorrektur dienen (eng: Forward Error Correction (FEC)).

Bei S2 und S8 wird die Datenrate aufgrund von extra Aufwand bei der Datenverarbeitung und ihrer Übertragung unterschiedlich aber allgemein deutlich reduziert.

Um die Berechnung des Einfalls- oder Abgangswinkels zu vereinfachen, betrachten wir ihn nur in zwei Dimensionen, d. h. auf der zweidimensionalen kartesischen Ebene. Dieser Fall wird hauptsächlich in Asset-Anwendungen verwendet, da die dritte Koordinate (Höhe des Objekts) als nicht relevant angesehen wird.

Durch Messung der Phasendifferenz zwischen den beiden Empfangsantennen (Ψ 2 - Ψ 1) lässt sich der Signalwinkel mithilfe grundlegender Trigonometrie berechnen, sofern der Abstand zwischen den Antennen (d) und die Signalwellenlänge (λ) bekannt sind.
Die I/Q-Demodulation ist ein wichtiger Schritt in modernen Funkempfängern. Dabei werden die I- und Q-Datenkomponenten aus dem empfangenen CTE-Rohsignal extrahiert. Der HF-Eingang wird mit einem komplexen Zeiger (I- und Q-Komponenten) multipliziert und dann gefiltert und heruntergerechnet, um den IQ-Datenstrom zu erzeugen.


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Diagramm mit IQ-Koordinate (links) und die durch eine 4-Antennen-Anordnung gemessene Tag-Position in der IQ-Ebene (rechts)

Der Prozess im Detail:

  • Heruntermischen: Die I/Q-Daten werden mit einem komplexen Zeiger (einem Sinus- und Cosinuspaar) bei oder nahe der Trägerfrequenz multipliziert. Das Signal wird dadurch auf eine niedrigere Zwischenfrequenz (IF) verschoben.
  • Tiefpassfilter: Nach dem Heruntermischen (eng: down-mixing) entfernt ein Tiefpassfilter unerwünschte HF-Komponenten, sodass nur das Basisbandsignal übrig bleibt
  • Dezimierung: Das gefilterte Signal wird heruntergesampelt, um die Datenrate zu reduzieren und wichtige Informationen beizubehalten.

Designüberlegungen und Branchenbeschränkungen
Bei genaueren Ortungssystemen, die die dritte kartesische Koordinate an ihrem Ausgang bereitstellen, müssen mindestens zwei Winkel berechnet werden, um die Beziehung zwischen Sender und Empfänger in drei Dimensionen darzustellen (Triangulation). Um den zweiten Winkel zu erhalten, ist der zweite AoA-Locator erforderlich. Diese beiden Winkel werden als Azimut (Horizontal-) und Elevation (Höhenwinkel) bezeichnet.

Die alternative Methode, bei der keine Winkelmessung erforderlich ist, wird als Trilateration bezeichnet. Sie wird häufig mithilfe der Time-of-Flight-/ToF-Entfernungsmessung implementiert, für die Channel Sounding (Bluetooth 5.4) oder seine Ultra-Wide-Band-/UWB-Varianten verwendet werden.

Channel Sounding (CS), das mit Version 5.4 der Bluetooth Core Specification veröffentlicht wurde und in der Bluetooth-Nomenklatur auch als High Accuracy Distance Measurement (HADM) bezeichnet wird, kann als hochpräzise Alternative zur RSSI-basierten Entfernungsmessung angesehen werden. Durch CS profitieren Anwendungen, die bereits Bluetooth Low Energy verwenden, von zusätzlicher Genauigkeit, ohne dass zusätzliche Kosten für Hardware anfallen.

AoA-Lösung auf RSL15-Basis von onsemi
Der von onsemi entwickelte RSL15-5.2-Mikrocontroller (MCU) bietet eine zuverlässige Asset-Verfolgung durch die AoA-Methode. Dieses Projekt besteht aus zwei Teilen:

  • Scanner: ble_scanner_DF_Mehrfachanwendung auf der Ortungsplatine;
  • Advertiser: ble_advertiser_DF-Anwendung auf den Tag-Platinen.

Die Funkbasis des Scanners und Advertisers ist der RSL15-5.2-System-on-Chip/SoC von onsemi. Alternativ dazu gibt es mit dem System-in-Package 2EG von Murata (Bild 9) eine höher integrierte Lösung, die auf demselben onsemi-Produkt basiert.

Der Scanner ist für den Empfang von CTE-Signalen verantwortlich, die vom Advertising-Tag gesendet werden, von dem die IQ-Samples stammen.

Diese Samples werden an eine andere Anwendung gesendet, die auf einem PC oder in der Cloud ausgeführt wird, um den Winkel zwischen Scanner und Advertiser zu berechnen. Schließlich werden die berechneten Winkel in kartesische Koordinaten umgewandelt und in zwei oder drei Dimensionen abgebildet.


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Komplettlösung von Bluetooth-LE-Tags bis hin zu Echtzeit-Positionsdaten

Der oben erwähnte Beispielcode für beide Anwendungen ist kostenlos im onsemi CMSIS-Paket verfügbar, das von der onsemi-Website heruntergeladen werden kann.

Mithilfe des Power Estimator Tools von onsemi lässt sich überprüfen, welche Kommunikationsparameter und -schemata verwendet werden sollten, um die Batterielebensdauer zu maximieren. Dies gibt einen wertvollen theoretischen Einblick in die erwartete Systemleistungsfähigkeit und deren Grenzen.


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Batterielebensdauer-Abschätzung und Ortungsmetriken

CoreHW bietet Antennen-Array-Boards in verschiedenen Formfaktoren, die eine hohe Positionsgenauigkeit bis auf Zentimeter-Ebene ermöglichen. Die serienreifen Antennen-Boards decken den Frequenzbereich von 2400 bis 2483 MHz ab und verfügen über bis zu 16 asymmetrische (Single-Ended-)Antennenanschlüsse.


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RSL15 EVB von onsemi im Inneren des CoreHW-Ortungsgeräts

Die Antennen enthalten den Bluetooth-AoA- und -AoD-Antennenschalter CHW1010 SP16T zur Antennenauswahl sowie Anschlüsse für HF- und digitale Steuersignale zur einfachen Anbindung von BLE-SoC-Steuerplatinen.


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Antennenarrays von CoreHW

Die Bluetooth Low Energy Localization Engine von Unikie ist für die Echtzeit-Verfolgung von Bluetooth-Low-Energy-Tags ausgelegt. Die erzeugten Daten können auf Edge-Servern oder in der Cloud verarbeitet werden, was Flexibilität und Kosteneffizienz garantiert. Darüber hinaus ermöglichen die APIs der Engine eine nahtlose Integration in Unternehmenssysteme und unterstützen eine anspruchsvolle Datenmodellierung. Dies ermöglicht ein tieferes Verständnis von Materialflüssen, Nutzungsraten und Verhaltensmustern und stellt einen bemerkenswerten Fortschritt bei standortbasierten Diensten und im Asset-Management dar.


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Software-Engine von Unikie für Ortungsdienste

Fazit – Was zeichnet die RSL15-Lösung aus?
Die wichtigsten Voraussetzungen für die erfolgreiche Einführung der Bluetooth-Ortung bleiben die Langlebigkeit und die Kosten des Tag-Geräts. Bei onsemi sehen wir unsere Bluetooth-SoCs als großen Schritt in diese Richtung und konzentrieren uns darauf, die beste Funktechnik mit geringstem Stromverbrauch zu einem vernünftigen Preis auf den Markt zu bringen.

Gerne geben wir unser Know-how über die Umsetzung solcher Systeme weiter, um Kunden die Entwicklung zu erleichtern und die Kluft zwischen den Menschen und dieser transformativen Technik zu überbrücken, damit sie in ihrem Alltag alle Vorteile daraus ziehen können.

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