Технология Bluetooth ® [1] использует маломощную радиочастоту для обеспечения связи на малой дальности при низких затратах. Спецификация ядра Bluetooth [2], предоставленная группой Bluetooth Special Interest Group (SIG), добавила функцию определения местоположения и направления в Bluetooth с низкой энергией (BLE). Связь в BLE реализуется с использованием этих двух различных физических уровней (PHY).
LE Uncoded: этот PHY далее разделяется на LE 1M PHY и LE 2M PHY. LE 1M является PHY по умолчанию и обеспечивает скорость передачи символов 1 Мсым/с. Поддержка LE 1M обязательна для всех устройств, поддерживающих BLE. LE 2M обеспечивает скорость передачи символов 2 Мсым/с. Поддержка LE 2M является дополнительной для устройств, поддерживающих контроллер BLE.
LE Coded: этот PHY оборудован для более дальней связи. Он может в четыре раза увеличить диапазон, который может быть достигнут при снижении скорости передачи данных. Поддержка LE Coded PHY является дополнительной для устройств, поддерживающих контроллер BLE.
Bluetooth-пеленгация может использовать либо LE 1M, либо LE 2M PHY, но не LE Coded PHY.
В течение нескольких лет Bluetooth используется для предоставления различных типов услуг определения местоположения и направления. На высоком уровне эти услуги можно разделить на две категории.
Близость решения: Эта категория состоит из точки интереса (PoI) информационных приложений (например, музеи, которые предоставляют пользователю информацию об артефактах в комнате). Эта категория также включает решения для поиска элементов, такие как теги Bluetooth, которые помогают находить потерянные или неправильно размещенные элементы. В этих решениях метки Bluetooth периодически передают широковещательные кадры BLE. Точка доступа (AP) сканирует эти кадры для получения информации о теге Bluetooth и отправляет ее на сервер определения местоположения через контроллер доступа (AC). В приложениях близости PoI необходимо определить, какая точка или PoI находятся в непосредственной близости от вычисленного местоположения.
Позиционирующие системы: Эта категория включает услуги на основе местоположения для использования Bluetooth для поиска физического положения устройства. Яркими примерами использования в этой категории являются системы определения местоположения в режиме реального времени, используемые для отслеживания активов, отслеживания людей и систем определения местоположения внутри помещений, которые используются для поиска путей, помогающих людям перемещаться по сложным сценариям внутри помещений. Случаи использования позиционирования внутри помещения требуют приложений, которые оценивают точное местоположение маяков, с которыми они сталкиваются, так что местоположение отслеживаемого устройства, соответствующее известному местоположению маяка, может быть вычислено. В некоторых случаях может потребоваться определить положение маяка в трех измерениях с учетом его координат x и y в горизонтальной плоскости и его высоты выше или ниже некоторой опорной высоты. Приложение может определить положение своего главного устройства, только если оно знает направление, из которого поступает принятый сигнал, приблизительное расстояние до этого маяка и местоположение маяка.
В приложениях с участием смартфонов при расчете направления сигнала приложение должно учитывать ориентацию в трехмерном пространстве телефона.
Помимо ранее упомянутых служб определения местоположения, приложения должны сами учитывать эти общие соображения.
Определение деталей антенной решетки: Для точного приема и обработки данных IQ-выборки приложения должны иметь детали антенной решетки в локальном устройстве (для угла прибытия (AoA)) или удаленном устройстве (угол отправления (AoD)). Профили приложений описывают, как приложения могут получить описание антенной решетки от удаленных устройств. Ожидайте появления API для получения сведений об антенных решетках в локальных и удаленных устройствах.
Настройка параметров расширения постоянного тонального сигнала (CTE): параметры, такие как длина CTE, длина диаграммы переключения антенн и количество пакетов, которые включают в себя CTE для передачи за периодическое рекламное событие, управляют производством CTE. Эти параметры можно задать с помощью команд нового интерфейса контроллера хоста (HCI).
Настройка и включение дискретизации IQ: спецификация ядра Bluetooth [2] определяет ряд параметров для конфигурирования и инициирования дискретизации IQ. Эти параметры включают в себя длительность слота выборки (1 мкс или 2 мкс), длину шаблона переключения и идентификаторы антенн, которые должны быть включены в шаблон выборки.
Разработка алгоритмов и расчет углов по данным выборки IQ: Bluetooth SIG не определяет какой-либо один конкретный алгоритм в качестве стандартного алгоритма пеленгации. Выбор алгоритма оставлен на уровне приложения для адресации. Вообще, это та область, в которой конкурируют производители и разработчики.
Технология Bluetooth beacon является приложением стандарта BLE. Маяк передает отдельный идентификатор. Приложение на устройстве BLE, принимающее этот ID, просматривает базу данных для распознавания передающего маяка и затем предоставляет пользователю информацию, относящуюся к местоположению этого маяка. На этом рисунке показаны методы, используемые для оценки расстояния между устройством BLE и маяком.
Оценка местоположения на основе трилатерации: трилатерация является одним из наиболее часто используемых методов оценки местоположения устройства. В этом способе должны быть известны местоположения по меньшей мере двух эталонных радиомаяков Bluetooth и расстояние между ними. Однако для точного определения относительного местоположения узла необходимы три маяка. Метод трилатерации использует значение индикатора уровня принимаемого сигнала (RSSI) для вычисления расстояния между радиомаяками Bluetooth и устройством BLE. Значение RSSI помогает определить близость двух устройств BLE, обеспечивая точность измерения уровня. Значение RSSI указывает уровень сигнала маяка, как видно из принимающего устройства BLE. По мере увеличения значения RSSI маяковый сигнал усиливается. Эта взаимосвязь помогает указать, когда устройство BLE находится в непосредственной близости от маяка. Поскольку направление сигнала маяка не может быть определено трилатерацией, местоположение устройства BLE может находиться в любой точке окружности круга. Однако идеальное расположение устройства BLE находится в общей точке пересечения трех окружностей. Из-за отсутствия информации, относящейся к направлению сигнала маяка, три круга не всегда могут иметь общую точку пересечения.
В трилатерации преимущество использования значения RSSI состоит в том, что оно не нуждается в каком-либо дополнительном оборудовании или не несет каких-либо дополнительных издержек связи. Напротив, точность подхода, основанного на RSSI, затрудняется точностью выбранной модели потери тракта. Кроме того, этот подход недостаточно точен для нескольких случаев использования. Даже если опорное значение RSSI эффективно калибруется при первой установке радиомаяка Bluetooth, на вычисленное значение RSSI влияют условия окружающей среды, такие как присутствие людей и уровни влажности. Подход, основанный на RSSI, дает низкую точность, особенно в сценариях внутри помещений, которые заполнены препятствиями, такими как стены и мебель. Эти препятствия являются источником многолучевого замирания и делают связь между расстоянием и RSSI неточной.
Триангуляция на основе оценки местоположения: Триангуляция - это методика вычисления положения точки, которая опирается на известное расстояние между двумя или тремя опорными точками и углами, измеренными с помощью функции пеленгации Bluetooth между этими опорными точками до этой точки. Эти углы могут быть AoA или AoD. Для получения дополнительной информации см. Угол прибытия (AoA) и Угол отправления (AoD). В отличие от трилатерации, реализующей только измерения расстояния, метод триангуляции использует измерения угла. С помощью этого метода можно вычислить расположение любой точки в 2-D, учитывая три угла между точкой и другими тремя опорными точками. Однако в 2-D пространстве для оценки местоположения любой точки требуется минимум два угла. На предыдущей фигуре d12, d23 и d13 обозначают расстояния между радиомаяками Bluetooth 1-2, 2-3 и 1-3 соответственно. Углы x, y и z являются известными измерениями углов между устройством BLE и радиомаяками 1, 2 и 3 Bluetooth соответственно. Используя эти известные измерения, метод триангуляции позволяет вычислять углы α, β и start. Следовательно, получается местоположение устройства BLE. Триангуляция - это сложный метод, который требует информации о местоположении и пространственном вращении радиомаяков Bluetooth. Однако благодаря возможностям AoA и AoD триангуляция дает более точное местоположение устройства BLE по сравнению с технологией трилатерации.
Для точного определения местоположения устройства BLE более совершенные решения должны реализовывать несколько Bluetooth-маяков и сложные алгоритмы, основанные на методах трилатерации и триангуляции.
Спецификация ядра Bluetooth [2] представила новые функции, поддерживающие высокоточную пеленгацию. Спецификация контроллера улучшена таким образом, что специализированные аппаратные средства, которые включают антенную решетку, могут использоваться для определения направления принятого сигнала BLE. HCI модифицируется таким образом, что данные, полученные контроллером, могут быть доступны для более высоких уровней стека, где могут выполняться вычисления направления. Bluetooth-пеленгация предлагает два различных метода, каждый из которых использует одну и ту же базовую основу. Эти методы пеленгации - AoA и AoD.
Примечание
Возможности пеленгации Bluetooth, AoA и AoD, представлены в спецификации ядра Bluetooth 5.1 [2].
Устройство BLE может посылать свою информацию, относящуюся к направлению, другому одноранговому устройству BLE путем передачи пакетов с поддержкой пеленгации с использованием одной антенны. Одноранговое устройство BLE, состоящее из радиочастотного переключателя и антенной решетки, переключает антенны и захватывает принятые синфазные (I) и квадратурные (Q) выборки. Устройство BLE использует эти I и Q выборки для вычисления разности фаз в радиосигнале, принимаемом различными элементами антенной решетки. Следовательно, вычисленная разность фаз используется для оценки AoA. Этот рисунок иллюстрирует концепцию метода AoA.
Передающее устройство использует одну антенну, тогда как приемное устройство использует антенную решетку, управляемую РЧ-переключателем. В приемнике d обозначает расстояние между двумя антеннами. Разность фаз, ψ, между сигналами, прибывающими в эти две антенны, вычислена как:
2.ddcosλ
λ представляет собой длину волны сигнала, λ представляет собой AoA. Чтобы избежать эффекта наложения, максимальное значение d должно быть λ/2. Переставляя вышеприведенное уравнение, АоА вычисляется следующим образом:
λ λ 2ād)
В отличие от AoA, способ AoD состоит из одной антенны в приемнике и множества антенн в передатчике. Передатчик BLE, состоящий из RF-переключателя и антенной решетки, может сделать свой AoD обнаруживаемым, посылая пакеты пеленгации и затем переключая антенны в антенной решетке во время передачи. Приемник BLE принимает пакеты, используя одну антенну, и захватывает выборки I и Q. Направление сигнала определяется из различных задержек распространения сигнала BLE между множеством антенн антенной решетки и одной приемной антенной. На этом рисунке показана концепция метода AoD.
Приемное устройство использует одну антенну, тогда как передающее устройство имеет антенную решетку, управляемую РЧ-переключателем. В передатчике d обозначает расстояние между двумя антеннами. Разность фаз, ψ, между сигналами, прибывающими в эти две антенны, вычислена как:
2.dsinβλ
λ - длина волны сигнала, а β - AoD. При перестановке вышеуказанного уравнения AoD вычисляется как:
λ λ 2ød)
Основное использование антенных решеток заключается в направлении излучаемого сигнала к требуемому угловому сектору. Количество, геометрическая конструкция, относительные амплитуды и относительные фазы элементов антенной решетки зависят от желаемой угловой диаграммы. Как только антенная решетка предназначена для фокусировки в определенном направлении, решетка также может быть направлена в другом направлении путем изменения относительных фаз элементов решетки. На этом рисунке показаны некоторые часто используемые конструкции антенной решетки.
В корпусе равномерной линейной решетки (ULA) антенные элементы расположены в одну линию. В корпусе равномерной прямоугольной решетки (URA) антенные элементы расположены вдоль прямоугольной сетки. Однородная круговая решетка (УЦА) позволяет размещать антенные элементы по окружности круга. Геометрические конструкции ULA просты и позволяют вычислять только один угол по сигналу. Более сложные конструкции антенной решетки позволяют определить два или три угла. Вычисление углов возвышения и азимута сигнала относительно опорной плоскости является общим для этих антенных решеток. На этом рисунке показана концепция углов возвышения и азимута.
d - вектор относительного расстояния между точками A и B. dx, dy и dz обозначает компоненты d вдоль осей x, y и z соответственно. По этой информации вычисляют азимутальный угол (α) и угол места (ϵ) между точками А и В как:
дидкс)
+ dy2)
Сигналы пеленгации Bluetooth являются важной частью методики пеленгации Bluetooth. Пеленгационные сигналы обеспечивают источник материала постоянного сигнала, к которому может быть применена IQ-выборка. Новые блоки протокольных данных (PDU) канального уровня (LL) идентифицируются для пеленгации между двумя подключенными устройствами BLE. Кроме того, спецификация ядра Bluetooth [2] позволяет использовать существующие рекламные PDU в целях пеленгации без подключения. В этих случаях к блокам PDU добавляется дополнительная информация, известная как CTE. Для вычисления AoA и AoD сигналы пеленгации Bluetooth используют эти поля структуры пакетов BLE.
На этом рисунке показана структура пакетов для некодированного PHY BLE, работающего на LE 1M и LE 2M. Поле CTE добавляется в конце структуры пакета.
КТР содержит ряд символов, каждый из которых представляет двоичный 1. Количество символов в поле CTE конфигурируется более высокими уровнями таким образом, что для IQ выборки доступно подходящее количество данных и времени.
Примечание
Для получения дополнительной информации о CTE см. том 6, часть B, раздел 2,5,1 спецификации ядра Bluetooth [2].
В данном радиоканале Bluetooth использует две частоты, одна для обозначения цифровых 0, а другая для обозначения цифровых 1. Эти две частоты вычисляются путем сложения или вычитания отклонения частоты к центральной частоте канала или от нее. Любое изменение частоты также изменяет длину волны. Длина волны является важным фактором при вычислении направления из IQ выборок. Поэтому КТЭ состоит исключительно из цифровых 1. Это означает, что весь КТР передается на одной частоте и имеет постоянную длину волны.
Каждый пакет BLE содержит поле CRC, которое используется при обнаружении ошибок. Передатчик BLE вычисляет значение CRC из оставшейся части передаваемого пакета, добавляет CRC к концу пакета и передает пакет. Приемник BLE выполняет то же самое вычисление и сравнивает вычисленное значение CRC с добавленным значением CRC. Если значения CRC неравны, произошла ошибка связи. Это вызывает изменение одного или нескольких переданных битов. В этом случае пакет игнорируется приемником BLE и может быть повторно передан передатчиком BLE.
Примечание
Значение CTE в пакетах пеленгации не включается в вычисление CRC.
Если соединение между передатчиком BLE и приемником зашифровано и аутентифицировано, PDU LL включает в себя поле MIC. Значение MIC используется для аутентификации отправителя PDU.
Примечание
Значение CTE в пакетах пеленгации не включается в расчет MIC.
Отбеливание относится к процессу скремблирования битов, чтобы избежать длительных последовательностей 1 с и 0 с в передаваемом битовом потоке. Длительные последовательности 1 с и 0 с могут привести к потере приемником блокировки частоты и действовать так, как если бы центральная частота двигалась вверх или вниз. BLE использует отбеливание для скремблирования полей PDU и CRC всех пакетов LL.
Примечание
Значение КТР в направляющих пакетах не подвергается отбеливанию.
Спецификация ядра Bluetooth [2] позволяет использовать AoA и AoD для связи без установления соединения или для связи, ориентированной на соединение. Однако в типичных случаях использования AoD используется для связи без установления соединения, а AoA используется для связи, ориентированной на установление соединения. В этой таблице показаны четыре возможные замены использования AoA и AoD без установления соединения и связи, ориентированной на соединение.
| Тип соединения | AoA | AoD |
|---|---|---|
| Без установления соединения | Поддержка контроллера BLE является дополнительной. | Поддержка контроллера BLE является дополнительной. Типичным является использование AoD с связью без установления соединения. |
| Ориентированная на соединение | Поддержка контроллера BLE является дополнительной. Типичным является использование AoA с связью, ориентированной на соединение. | Поддержка контроллера BLE является дополнительной. |
Пеленгация без подключения реализует периодическую рекламу Bluetooth. CTE добавляется к другим стандартным AUX_SYNC_IND PDU. Ориентированное на соединение определение направления передает CTE с использованием новых пакетов LL_CTE_RSP, которые передаются по соединению в качестве подтверждения LL_CTE_REQ PDU. В обоих случаях перед инициированием IQ-выборки и формированием пакетов, несущих CTE, должны быть выполнены различные этапы настройки и конфигурирования.
С помощью Bluetooth-пеленгации системы приближения и позиционирования, работающие с точностью до погружного метра, могут быть разработаны для таких вариантов использования, как размещение внутри помещения, поиск пути, отслеживание активов и обнаружение направления. Возможность пеленгации Bluetooth повышает уровень проверенных инженерных технологий для направления сигнала. Эта возможность также стандартизирует интерфейсы, взаимодействия и важные внутренние операции стека BLE. Точная пеленгация теперь совместима с различными производителями и может быть широко применена для создания нового поколения передовых служб определения местоположения и пеленгации Bluetooth.
[1] Веб-сайт технологии Bluetooth. «Веб-сайт Bluetooth Technology | Официальный веб-сайт Bluetooth Technology». Доступно 22 ноября 2019 года. https://www.bluetooth.com/.
[2] Группа специальных интересов Bluetooth (SIG). «Спецификация ядра Bluetooth». Версия 5.1. https://www.bluetooth.com/.
[3] Сурьяванши, Нитеш Б., К. Висвавардхан Редди и Вишну Р. Чандрика. «Возможность пеленгации в Bluetooth 5.1 Standard». Во «Повсеместных коммуникациях и сетевых вычислениях», под редакцией Навина Кумара и Р. Венкатеши Прасада, 53-65. Лекционные записки Института компьютерных наук, социальной информатики и телекоммуникационной инженерии. Cham: Springer International Publishing, 2019.