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Standort per Bluetooth ermitteln

Zwei neue Standard-Methoden

Wegweiser zum Auto im Parkaus per Bluetooth-Ortung.
Den Standort in Gebäuden per Bluetooth ermitteln.
© Scharfsinn – Shutterstock

Für Bluetooth wurden zwei Ortungstechniken AoA (Angle of Arrival, Einfallswinkel) und AoD (Angle of Departure, Abgangswinkel) standardisiert, um einen Standort in Echtzeit zu bestimmen. Beide basieren auf der Messung von Phasendifferenzen zwischen empfangenen HF-Signalen.

Techniken zur Standortbestimmung haben viele nützliche Anwendungen, beispielsweise das GPS (Global Positioning System), das weltweit eine hohe Akzeptanz gefunden hat. Leider funktioniert das satellitengestützte GPS in Innenräumen nicht gut, sodass ein großer Bedarf an besseren Funkpeiltechniken besteht. Die Bestrebungen gehen dahin, die Standorte oder Winkel einzelner Objekte mit einem externen Tracking-System zu verfolgen oder ein Gerät zu entwickeln, das den eigenen Standort im Innenbereich erfassen und Standortänderungen aufzeichnen kann. Diese Art von Ortungssystem kann verwendet werden, um z. B. den Lagerort von Waren in einem Lager zu erfassen oder die Standorte von Personen in einem Einkaufszentrum zu registrieren, oder Menschen können die Standortbestimmung für ihre eigene Orientierung verwenden.

Bluetooth-AoA- und -AoD-Techniken schaffen einen standardisierten Rahmen für die Positionsbestimmung in Innenräumen. Bei diesen Techniken wird das grundlegende Problem der Standortbestimmung mit den Einfalls- und Abgangswinkel von Funksignalen gelöst. Die Bluetooth-Spezifikationen für AoA und AoD sind zwar ausgereift, wurden aber noch nicht veröffentlicht. In den folgenden Abschnitten werden die Grundlagen und die Theorie zur Abschätzung der Einfallsrichtung erläutert.

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Bestimmen des Eingangswinkels

Skizze zur Berechnung des Einfallswinkels aus der Phasenlage der Empängersignale eines linearen Antennenarrays.
Bild 1. Aus der Phasenlage der einzelnen Antennensignale (Kanäle) – linear angeordnetes Antennenarray – kann der stationäre Empfänger den Einfallswinkel (Angle of Arrival, AoA) des Empfangssignals ermitteln.
© Silicon Labs

Für die Betrachtung wird als Empfänger ein Gerät mit einem linearen Mehrantennenarray und als Sender ein Gerät mit einer Antenne gewählt (Bild 1). Der Empfänger ist hier stationär und er ist zugleich auch das Gerät, das den Standort ermittelt und der Sender ist das Zielobjekt. Die Distanz zwischen beiden Geräten wird als so groß angenommen, dass die Funkwelle des Senders als planare Wellenfront und nicht kugelförmig beim Empfänger ankommt (Fernfeld).

Wenn der Sender, der eine sinusförmige Welle durch die Luft ausstrahlt, auf der Normalen senkrecht zur Array-Linie liegt, sieht jede Antenne (Kanal) des Arrays das eingehende Signal in der gleichen Phase. Liegt der Sender nicht auf der Normalen, dann erfassen die Empfangsantennen Phasenunterschiede zwischen den Kanälen. Diese Phasendifferenz-Information kann zur Berechnung des Einfallswinkels verwendet werden.

In der Praxis benötigt das Empfangsgerät mehrere ADU-Kanäle oder verwendet einen HF-Schalter, um das Si­gnal jedes einzelnen Kanals abtasten zu können. Die durch Abtasten erhaltenen Signalwerte werden „IQ-Samples“ genannt, da es sich um ein Wertepaar handelt, bestehend aus In-Phase und Quadratur-Phase. Diese Abtastwerte haben eine Phasendifferenz von 90 °. Wenn dieses Wertepaar als komplexer Wert betrachtet wird, enthält jeder dieser komplexen Werte sowohl Phasen- als auch Amplitudeninforma­tionen und kann als Eingabewert für den Algorithmus zur Einfallswinkelschätzung dienen.


Funkwellen breiten sich aus mit der Lichtgeschwindigkeit von ca. 300.000 km/s. Bei Frequenzen um 2,4 GHz liegen die entsprechenden Wellenlängen bei ungefähr 0,125 m. Der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Antennen im Antennenarray beträgt bei den meisten Schätz­algorithmen eine halbe Wellenlänge. Es gibt keine theoretische Begrenzung des Mindestabstands; in der Praxis wird der Mindestabstand durch die mechanischen Abmessungen des Antennenarrays sowie beispielsweise die gegenseitige Kopplung zwischen den Antennenelementen beschränkt.

Bestimmen des Abgangswinkels

Sikzze zur Berechnung des Abgangswinkels in Antennenarrays.
Bild 2. Zur Ermittlung des Abgangswinkels (Angle of Departure, AoD) im mobilen Empfänger arbeiten die stationären Sender mit einem linearen Antennenarray.
© Silicon Labs

Das grundsätzliche Konzept der Messung von Phasendifferenzen für AoD ist gleich wie für AoA, jedoch werden die Rollen der Geräte vertauscht. Bei AoD verwendet das zu ortende Gerät – Zielobjekt ist der Empfänger – nur eine Antenne.

Auch hier ist der Empfänger das Gerät, das den Standort errechnet, nur ist hier der Empfänger mobil und der Sender arbeitet stationär mit mehreren Antennen (Bild 2). Der Sender nutzt die Antennenelemente des Antennenarrays sequenziell, und die Empfangsseite kennt die Konfiguration sowie die Schaltfolge des Antennenarrays.

Prinzipielle Unterschiede

Aus Sicht der Anwendung, ist ein deutlicher Unterschied zwischen diesen beiden Techniken zu erkennen.

Beim AoD ist das mobile Empfangsgerät in der Lage, seine eigene Position im Raum mit Hilfe der Signale aus mehreren Baken – und den daraus ermittelten Abgangswinkeln – und den Positionen der Baken mittels Triangulation zu berechnen.

Beim AoA verfolgt das stationäre Empfangsgerät die Einfallswinkel der einzelnen Zielobjekte (mobile Sender).

Dennoch sollten Entwickler beachten, dass verschiedene Kombinationen dieser beiden Techniken durchgeführt werden können, sodass sie dem, was auf der Anwendungsebene getan werden kann, keine Grenzen setzen. Sowohl bei Bluetooth AoA als auch bei Bluetooth AoD werden die AoA/AoD-bezogenen Steuerdaten über einen herkömmlichen Datenkanal gesendet.

Typischerweise können diese Techniken eine Winkelgenauigkeit von einigen Grad und eine Positioniergenauigkeit von ungefähr 0,5 m erreichen, allerdings hängen diese Werte von der Implementierung des Positionierungssystems ab.


  1. Zwei neue Standard-Methoden
  2. Herausforderung für Entwickler

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