Como Funciona O ângulo De Chegada (AoA) Do Bluetooth E Como Se Inscrever Na Direção Dos Serviços De Localização Do Bluetooth

A teoria da realização do serviço de localização AoA Bluetooth 5.1 Jun 08, 2023

A tecnologia Arrived of Angle (AoA) foi introduzida no BLE desde a especificação principal do Bluetooth 5.1 para fins de direção do Bluetooth. Agora, o Bluetooth 5.1 AoA tem sido amplamente utilizado em dois campos: posicionamento interno e entrada sem chave . Agora, explicaremos como o AoA funciona e como ele se aplica ao posicionamento interno com a tecnologia Bluetooth 5.1 AoA.

O Bluetooth 5.1 AoA foi aplicado no posicionamento interno.

1. Visão geral da tecnologia de posicionamento interno

Existem quatro soluções para posicionamento interno: UWB, Wi-Fi , BLE beacon / BLE AoA . Para a faixa de precisão, UWB é 0,1 m ~ 1 m; O farol Wi-Fi e BLE é de 5 m ~ 20 m com uma faixa de erro maior. Como a primeira empresa comercial de serviços de posicionamento BLE AoA, Quuppa pode controlar a faixa de precisão dentro de 0,1 m ~ 1 m (com os chips TI CC254x e Nordic nRF5281x).

A seguir estão os dados de teste de Quuppa.

Dados de teste de Quuppa sobre UWB, WIFI, BEACON

2. Análise da Teoria de Posicionamento em Interiores

Não importa o tipo de método de posicionamento, o sistema de posicionamento interno precisa desenhar a modelagem arquitetônica da cena real, implantar o roteador do receptor na área interna e marcar o local correspondente no mapa de modelagem. O telefone celular ou o módulo sinalizador transmitem sinais sem fio . O roteador receptor implantado em uma posição fixa pode confirmar o alcance da área de localização do farol após receber os sinais sem fio.

modelagem arquitetônica

O ângulo de chegada do sinal do farol pode ser medido por várias antenas após a confirmação do alcance da área de localização. Combinado com o posicionamento de triangulação, a posição precisa do equipamento de sinalização pode ser calculada.

Teoria de Posicionamento Interno

Triangulação

A triangulação é medir a posição do dispositivo beacon através de dois conjuntos de dados AoA. Conforme mostrado na figura abaixo, dois conjuntos de antenas podem medir um dado AoA, e dois dados AoA podem medir a posição do dispositivo A. Ambos d e D são parâmetros conhecidos, como podemos obter θ1 e θ2.

Triangulação para medir a posição do dispositivo de sinalização

3. Teoria de medição AoA

Frequência : O Bluetooth opera na banda ISM (Industrial Scientific and Medical) de 2,40 GHz a 2,41 GHz com uma largura de banda de 2 MHz. O Bluetooth é dividido em três canais de transmissão 37, 38 e 39. Na especificação principal do Bluetooth v5.x, a transmissão estendida do Bluetooth LE pode ser transmitida em qualquer canal de 0 a 39, ou seja, o sinalizador Bluetooth v5.1 pode trabalhar em qualquer canal Bluetooth. (A frequência do Bluetooth é inconsistente quando está funcionando, o que afetará o comprimento de onda do Bluetooth λ.)

Fase : O sinal sem fio é contínuo no ar. O receptor RX recebe e demodula o sinal de todo o ciclo de onda de 0 ~ 2 π na faixa de frequência.

Todo o ciclo de onda de 0 ~ 2 π sob a faixa de frequência

Cálculo AoA : supondo que haja um sinal de farol Bluetooth de frequência fixa transmitindo em uma área aberta (ignorando obstáculos e outras interferências de sinal de 2,4 GHz no ar). Se os dois receptores estiverem no mesmo raio e no mesmo final TX, em um determinado momento t, a diferença de fase recebida pelo receptor RX deve ser 0. Mas se o receptor estiver em uma posição com raio inconsistente, em um determinado tempo t, há uma diferença na fase do receptor RX.

cálculo AoA

Se os diagramas acima não forem fáceis de entender, vamos mudar para os diagramas a seguir para mostrar o esquema. No processo de transmissão do sinal, devido às diferentes posições da antena, a fase do sinal amostrado em um determinado momento t é diferente.

Esquema de cálculo AoA

Dicas : Em princípio, a diferença de fase pode ser calculada com duas antenas, e uma matriz de múltiplas antenas pode ajudar a melhorar o desempenho antiparasitário.

Quando a distância d das duas antenas e a frequência (comprimento de onda) do sinal do farol são conhecidas, a diferença de fase θ entre o sinal do farol e a antena 1, antena 2 pode ser calculada. Depois de calcular os dois conjuntos de θ em posições diferentes, a posição do sinal de farol pode ser calculada.

Como calcular a posição do sinal do farol.

Erro de Medição AoA

Tomando um plano bidimensional como exemplo, haverá dois ângulos de α. E em coordenadas tridimensionais reais, haverá uma trajetória de um círculo com raio α. O receptor AoA sabe apenas que o sinal do farol está na trajetória do círculo, porém, não pode julgar onde eles estão no círculo. Neste momento, um arranjo de antenas ortogonais é necessário para confirmar as coordenadas de posição do ponto de sinalização.

Os conjuntos de antenas podem ser organizados de várias maneiras. Uma missão é o posicionamento e a outra missão é minimizar o número de implantações de receptores. As implantações comuns de arranjo de antenas são mostradas abaixo.

As implantações comuns de matriz de antena

Exemplo de Matriz de Antenas

Conjunto de Antenas TI EVM

Conjunto de Antenas TI EVM

Conjunto de Antena do Receptor Quuppa

4. Implantação de software AoA Bluetooth 5.1

A SIG fez especificações correspondentes para o protocolo AoA na camada de link lógico na especificação principal do Bluetooth 5.1.

AoA / AoD pode funcionar em 1M ou 2M PHY regular (a codificação PHY não é suportada) e pode suportar o modo de transmissão e o modo de conexão. O formato de transmissão de dados tem os seguintes requisitos: no pacote de dados PDU, a especificação AoA/AoD é padronizada. CTE são os dados estendidos do pacote de dados AoA / AoD e a duração é de 16 μs a 160 μs. A modulação do sinal de 250 kHz é na onda portadora sem branqueamento e validação CRC. O sinal é usado pelo receptor RX para amostrar o valor I/Q do sinal no tempo t e calcular a diferença de fase.

Como implantar o software AoA Bluetooth 5.1

5. Desafios do projeto AoA

5.1 Interferência de Reflexão de Sinal

A discussão acima está sob condições ideais com um ambiente aberto e nenhuma outra interferência de sinal. Nas cenas reais, o receptor RX receberá o sinal de reflexão dele mesmo ou de outros sinais AoA e beacon, e o sinal de reflexão também carrega pacotes de dados CTE estendidos, porém, são sinais de ruído que precisam ser eliminados.

5.2 Compensação do tempo de comutação

Um núcleo de RF controla várias antenas de RF. O tempo de comutação do interruptor de RF deve ser compensado, exceto o tempo de transmissão do sinal no ar.

comutadores de RF