Lokalisation Mit Bluetooth in die richtige Richtung

Antennengitter ermöglicht Richtungsbestimmung

Neu in Bluetooth 5.1 ist die Peilungsfunktion (direction finding). Sie erlaubt es, zusätzlich zur Entfernung auch die Richtung des Signals zu bestimmen. Davon profitieren auch die klassischen Näherungslösungen, denn die Richtung eines Signals ist eine wesentliche Information, die beispielsweise die Suche nach einem Gegenstand massiv erleichtert. Möglich ist diese Funktion sowohl im LE 1M PHY (Physical Layer) als auch im LE 2M PHY Modus, nicht jedoch im LE Coded PHY. Daher ermöglicht Bluetooth 5.1 aktuell noch keine Peilungsfunktion im 500 kbps und 125 kbps Betriebsmodus.

Um die Richtung eines Signals zu bestimmen, muss entweder der Empfänger (Angle of Arrival, AoA) oder der Sender (Angle of Departure, AoD) eines Standortsignals über ein fix angeordnetes Antennengitter verfügen (Bild 4). Bei beiden Varianten bestimmt der Empfänger über den Phasenunterschied mehrerer Signale mittels IQ-Verfahren (In-Phase-&-Quadrature-Verfahren) die Richtung, aus der das Signal kommt. Ein IQ-Datensatz enthält Amplitude und Phase des empfangen Signals. Die Daten werden vom Funkempfänger an die Anwendungsebene weitergeben, die anschließend mit Hilfe von Algorithmen die Richtung bestimmt.

Die Peilungsalgorithmen sind allerdings nicht Teil der Bluetooth 5.1 Core-Specification. Sie lassen sich mit Hilfe der Triangulation eines oder mehrerer Winkel bilden, die mittels AoA oder AoD bestimmt werden, und der per RSSI gemessenen Entfernung. Daraus erhöht sich die Genauigkeit der Standortbestimmung bis auf wenige Zentimeter.

AoA für Verfolgung, AoD für Navigation

In einer Angle-of-Arrival-Anwendung ist der Sender ein Beacon mit einer einzelnen Antenne, beispielsweise ein Smartphone oder ein kleines, kostengünstiges Tag. Mehrere fix installierte Empfänger (Locator), jeweils ausgestattet mit einem komplexen Antennengitter, bestimmen die Richtung aus der sie das Signal empfangen. AoA-Anwendungen eignen sich besonders gut für die Verfolgung von Objekten (RTLS), beispielsweise in der automatisierten Fertigung, in Lagerhäusern oder von Werkzeugen, die man sonst ständig sucht. Sie ermöglichen auch eine noch höhere Genauigkeit bei der Verwendung von Beacons am Point-of-Interest. Da die fix installierten Empfänger eine durchgängige Verfolgung erlauben, werden AoA-Anwendungen vermutlich eher in Systemen mit verbindungsorientierter Kommunikation zum Einsatz kommen.

Richtung des Signals mit IQ-Verfahren bestimmen

Eine AoD-Anwendung nutzt das Antennen-Gitter am Sender eines Beacon-Signals, um nacheinander das Signal über die unterschiedlichen Antennen zu senden. In diesem Fall verfügt der Empfänger, in der Zukunft vermutlich häufig ein Smartphone, über eine Antenne an der nacheinander die unterschiedlichen Signale ankommen. Kennt der Empfänger das Antennengitter-Layout, kann er mit dem IQ-Verfahren die Richtung des Signals bestimmen. Ist zudem die Position der Beacons bekannt, kann der Empfänger auch seine Position relativ zu den Sendern ermitteln. Somit eigenen sich AoD-Anwendungen besonders für Indoor-Positionierungssysteme (IPS) für eine einfache Navigation in geschlossenen Räumen, zum Beispiel in Flughäfen. Im Unterschied zu bisherigen IPS erhält der Nutzer jetzt aber nicht nur seine Position, sondern auch eine Richtungsangabe, die auf das Ziel hinweist. Anders als AoA-Anwendungen eignet sich die AoD-Methode eher für Situationen, die auf verbindungsloser Kommunikation aufbauen.

Antennen smart verteilt

Unabhängig von der verwendeten Methode ist ein wesentlicher Erfolgsfaktor für die Peilungsfunktion die Anzahl und die Anordnung der Antennen. Mit einer einfachen Reihe von Antennen lässt sich nur ein Winkel ermitteln.

Komplexere Anordnungen im dreidimensionalen Raum erlauben die Bestimmung sowohl von Horizontal- als auch von Vertikalwinkeln (Azimut und Elevation). Die Bluetooth SIG hat noch keine konkreten Vorgaben oder Empfehlungen zur Antennenanordnung gegeben. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass sich dies mit der Veröffentlichung von weiteren Profilen zu den neuen Standortdiensten ändert.

Um die Richtung des Signals zu bestimmen, wird an ein BLE-Paket eine Kette von zusätzlichen binären Symbolen [„0“ bzw. „1“] angehängt, die sogenannte »Constant Tone Extension« (CTE). Damit kann der Empfänger genügend IQ-Daten sammeln, um die Peilung durchzuführen. Für eine möglichst genaue Peilung ist die Beschränkung auf eine einzige Wellenlänge vorteilhaft. Die Modulation von „0“ und „1“ innerhalb eines Bluetooth-Kanals basiert aber auf Frequenzmodulation. Deshalb sendet die CTE ausschließlich binäre Einsen. Die CTE wird nach der Fehlererkennung (CRC) an das Ende eines Pakets angehängt und wirkt sich somit nicht auf den CRC aus. Auch auf einen Message-Integrity-Check (MIC) einer verschlüsselten Nachricht hat sie keinen Einfluss.

Um die Qualität eines Signals zu verbessern und einen möglichen negativen Effekt auf den Empfänger zu verhindern, werden lange Ketten gleicher Symbole (zum Beispiel Einsen) häufig durch »Whitening« randomisiert. Die CTE wird diesem Prozess dagegen nicht unterzogen, um die Genauigkeit möglichst groß zu halten.

Bluetooth 5.1 hat großes Potenzial

Mit der Einführung der neuesten Generation der Core-Specification 5.1 für Bluetooth und der darin vorgestellten Peilungsfunktion hat die Bluetooth-SIG einen großen Schritt in Richtung präziserer Standortdienste gemacht, die eine Vielzahl von Anwendungsszenarien deutlich verbessern können. Um dieses Potenzial umzusetzen, gilt es jedoch einige Aspekte zu beachten. So muss ein ideales Einsatzszenario Reflexionen und Multi-Path-Interferenzen minimieren. Ideal ist ein geschlossenes System mit ausreichend vielen, fix installierten Positionsgebern, die durchgängig eine Sichtverbindung zum Tag haben. Um die Indoor-Navigation mit Smartphones flächendeckend nutzbar zu machen, muss Bluetooth 5.1 in allen gängigen Smartphones integriert sein. Zusätzlich ist beim Einsatz von Smartphones die Polarisation zu beachten, da ihre Ausrichtung kaum zu steuern ist. Aufgrund des geringen Platzes in Smartphones ist es wahrscheinlich, dass hier auch in Zukunft nur eine Antenne zur Verfügung stehen wird. Daher kommen Smartphones lediglich als Sender in AoA- oder als Empfänger in AoD-Anwendungen in Frage. Das stellt aber keine Einschränkung dar, sondern trifft genau die in der Praxis relevanten Einsatzfälle. (jk)

ABKÜRZUNGEN

RTLS Real-Time Location Systems
IPS Indoor-Positionierungssysteme
RSSI Received Signal Strength Indicator
POI Point-of-Interest
LE 1M PHY Bluetooth LE Physical Layer mit 1 Mbit/s (seit Bluetooth 4.0)
LE 2M PHY Bluetooth LE Physical Layer mit 2 Mbit/s (seit Bluetooth 5.0)
LE Coded PHYBluetooth LE 5 Physical Layer mit robuster Signalcodierung, vierfache Reichweite und Forward Error Correction, dafür geringere Datenrate
IQ-Verfahren In-Phase-&-Quadrature-Verfahren, Signal enthält Amplituden- und Phaseninformation
AoA Angle of Arrival
AoD Angle of Departure
CTEConstant Tone Extension, binäre Symbole zur Unterstützung der Peilung
CRC Cyclic Redundancy Check, CRC
MIC Message Integrity Check, für verschlüsselte Nachrichten
 
QUELLEN

[1] Bluetooth 5.1 Core Specification https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification
[2] Bluetooth Markt Update 2019, ABI Research https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/2019-bluetooth-market-update/
[3] Enhancing Bluetooth Location Services https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/03/1901_Enhancing-Bluetooth-Location-Service_FINAL.pdf
[4] A Technical Look at Direction Finding https://www.bluetooth.com/blog/a-technical-look-at-direction-finding/