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La teoria della realizzazione del servizio di localizzazione AoA Bluetooth 5.1 Jun 08, 2023
The Arrived of Angle(AoA) technology has been introduced to BLE since Bluetooth 5.1 Core Specification for Bluetooth Direction's purpose. Now, Bluetooth 5.1 AoA has been widely used in two fields: indoor positioning, and keyless entry.  Now, we will explain how AoA works and how it applies into indoor positioning with Bluetooth 5.1 AoA technology.

Bluetooth 5.1 AoA è stato applicato nel posizionamento indoor.



1. Indoor Positioning Technology Overview

There are four solutions for indoor positioning: UWB, Wi-Fi, BLE beacon / BLE AoA. For the accuracy range, UWB is 0.1 m ~ 1 m; Wi-Fi and BLE beacon is 5 m ~ 20 m with a larger error range. As the first commercial BLE AoA positioning service company, Quuppa can control the accuracy range within 0.1 m ~ 1 m (with the TI CC254x and Nordic nRF5281x chips).


The following is the test data of Quuppa.
Dati di prova di Quuppa su UWB, WIFI, BEACON


2. Analysis of Indoor Positioning Theory


No matter what kind of positioning method, the indoor positioning system needs to draw the architectural modeling of the actual scene, deploy the receiver router in the indoor area, and mark the corresponding location on the modeling map. The mobile phone or the beacon module broadcast wireless signals. The receiver router deployed in a fixed position can confirm the location area range of the beacon after received the wireless signals.



modellazione architettonica


The arrival angle of the beacon signal can be measured by multiple antennas after confirmed the location area range. Combined with triangulation positioning, the accurate position of beacon equipment can be calculated.


Teoria del posizionamento indoor

Triangulation

La triangolazione consiste nel misurare la posizione del dispositivo beacon attraverso due set di dati AoA. Come mostrato nella figura seguente, due set di antenne possono misurare un dato AoA e due dati AoA possono misurare la posizione del dispositivo A. Entrambi d e D sono parametri noti, come possiamo ottenere θ1 e θ2.


Triangolazione per misurare la posizione del dispositivo beacon

3. Teoria della misurazione AoA


  • Frequenza : il Bluetooth opera nella banda ISM (Industrial Scientific and Medical) da 2,40 GHz a 2,41 GHz con una larghezza di banda di 2 MHz. Bluetooth è diviso in tre canali di trasmissione 37, 38 e 39. Nella specifica di base Bluetooth v5.x, la trasmissione estesa del Bluetooth LE può essere trasmessa in qualsiasi canale da 0 a 39, ovvero il beacon Bluetooth v5.1 può funzionare su qualsiasi canale Bluetooth. (La frequenza del Bluetooth è incoerente quando funziona, il che influirà sulla lunghezza d'onda del Bluetooth λ.)


  • Fase : il segnale wireless è continuo nell'aria. Il ricevitore RX riceve e demodula il segnale dell'intero ciclo dell'onda di 0 ~ 2 π sotto la gamma di frequenza.

L'intero ciclo dell'onda di 0 ~ 2 π sotto la gamma di frequenza


  • Calcolo AoA : supponendo che ci sia un segnale beacon Bluetooth a frequenza fissa che trasmette in un'area aperta (ignorando gli ostacoli e altre interferenze del segnale a 2,4 GHz nell'aria). Se i due ricevitori sono sullo stesso raggio e allo stesso estremo TX, ad un certo istante t, la differenza di fase ricevuta dal ricevitore RX dovrebbe essere 0. Ma se il ricevitore si trova in una posizione con un raggio incoerente, ad un certo tempo t, c'è una differenza nella fase del ricevitore RX.


Calcolo dell'AoA

Se i diagrammi precedenti non sono di facile comprensione, passiamo ai seguenti diagrammi per mostrare lo schema. Nel processo di trasmissione del segnale, a causa delle diverse posizioni dell'antenna, la fase del segnale campionato ad un certo tempo t è diversa.


Schema di calcolo AoA


Suggerimenti : in linea di principio, la differenza di fase può essere calcolata con due antenne e un array multi-antenna può aiutare a migliorare le prestazioni anti-interferenza.


Quando sono note la distanza de le due antenne e la frequenza (lunghezza d'onda) del segnale beacon, è possibile calcolare la differenza di fase θ tra il segnale beacon e l'antenna 1, antenna 2. Dopo aver calcolato i due insiemi di θ in posizioni diverse, è possibile calcolare la posizione del segnale beacon.

Come calcolare la posizione del segnale beacon.


  • Errore di misurazione AoA


Prendendo come esempio un piano bidimensionale, ci saranno due angoli di α. E in reali coordinate tridimensionali, ci sarà una traiettoria di un cerchio con un raggio di α. Il ricevitore AoA sa solo che il segnale beacon si trova sulla traiettoria del cerchio, tuttavia, non può giudicare dove si trovano sul cerchio. In questo momento, è necessario un array di antenne ortogonali per confermare le coordinate di posizione del punto beacon.


Errore di misurazione AoA


Gli array di antenne possono essere disposti in vari modi. Una missione è il posizionamento e l'altra missione è ridurre al minimo il numero di schieramenti di ricevitori. Le distribuzioni comuni dell'array di antenne sono mostrate di seguito.


Le comuni distribuzioni di array di antenne

Esempio di schiera di antenne


  • Serie di antenne TI EVM

Serie di antenne TI EVM


  • Array di antenne del ricevitore Quuppa



Array di antenne del ricevitore Quuppa


4. Implementazione del software Bluetooth 5.1 AoA

Il SIG ha realizzato specifiche corrispondenti per il protocollo AoA nel livello di collegamento logico nella specifica di base Bluetooth 5.1.


AoA / AoD può funzionare con PHY regolare 1M o 2M (la codifica PHY non è supportata) e può supportare la modalità di trasmissione e la modalità di connessione. Il formato di trasmissione dei dati ha i seguenti requisiti: nel pacchetto dati PDU, la specifica AoA/AoD è standardizzata. CTE sono i dati estesi del pacchetto di dati AoA / AoD e la durata è di 16 μs - 160 μs. La modulazione del segnale a 250 kHz è sull'onda portante senza sbiancamento e convalida CRC. Il segnale viene utilizzato dal ricevitore RX per campionare il valore I/Q del segnale all'istante t e calcolare la differenza di fase.


Come distribuire il software Bluetooth 5.1 AoA


5. Sfide di progettazione AoA


5.1 Interferenza di riflessione del segnale


La discussione di cui sopra è in condizioni ideali con un ambiente aperto e nessun'altra interferenza di segnale. Nelle scene reali, il ricevitore RX riceverà il segnale di riflessione di se stesso o altri segnali AoA e beacon, e il segnale di riflessione trasporta anche pacchetti di dati estesi CTE, tuttavia, sono segnali di rumore che devono essere eliminati.

5.2 Compensazione del tempo di commutazione

Un nucleo RF controlla più antenne RF. Il tempo di commutazione dell'interruttore RF dovrebbe essere compensato tranne il tempo di trasmissione del segnale nell'aria.

Interruttori RF

5.3 Errore del valore dell'angolo

Deve esserci un errore nella misurazione e l'intervallo di errore è solitamente del 3% ~ 5%. Ha bisogno di un algoritmo per ridurre l'errore.


Errore valore angolo


6. Prodotti Bluetooth AoA correlati



7. Fornitore di chip AoA

AoA di Texas Instruments


Silicon Labs AoA


Dialogo AoA


AoA nordica

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