Bluetooth® CS mit PBR

Warum ist der Algorithmus zur Distanzberechnung nicht Teil der Bluetooth-Spezifikation?

Bluetooth 6.0 bringt viele spannende neue Funktionen, darunter auch Channel Sounding (CS), mit denen Anwendungen Phasenbasierte Entfernungsmessung (Phase Based Ranging – PBR) nutzen können, um Entfernungen zu schätzen. Es ist jedoch wichtig zu betonen, dass die Bluetooth 6.0-Spezifikation selbst keinen direkten Algorithmus zur Distanzberechnung enthält. Diese Verantwortung liegt auf der Anwendungsebene, die die Rohdaten aus dem Channel Sounding-Verfahren verwenden muss, um Entfernungen zu berechnen.

Warum hat das Bluetooth-Konsortium (Bluetooth SIG) diesen Algorithmus weggelassen? Ein Grund liegt im Schutz geistigen Eigentums (Intellectual Property – IP). Viele Radartechnologien und Verfahren zur Entfernungsberechnung sind bereits durch Patente geschützt, und die Aufnahme eines spezifischen Algorithmus in den Standard könnte möglicherweise bestehendes geistiges Eigentum verletzen. Durch das Überlassen der Implementierung von Distanzalgorithmen an Entwickler vermeidet das Bluetooth-Konsortium IP-Konflikte und ermöglicht gleichzeitig Flexibilität für Innovationen. Metirionic beispielsweise hat erheblich in eigene Distanzberechnungslösungen investiert, die auf Bluetooth 6.0 aufbauen und präzise Distanzmessungen liefern.

Von Bluetooth Channel Sounding zu Präzisionsgenauigkeit mit MARS

In unserem vorherigen Artikel über die Leistung von MARS in Innenräumen haben wir untersucht, wie der Metirionic Advanced Ranging Stack (MARS) trotz der Herausforderungen der Mehrweg-Ausbreitung bemerkenswerte Genauigkeit in Innenräumen erreicht. Während dieser Artikel sich auf das Potenzial von MARS in schwierigen Umgebungen konzentrierte, werden wir uns heute mit dem in Abschnitt 2.2.2.1 beschriebenen Algorithmus zur Distanzberechnung, der Phase-Based Ranging (PBR), aus dem Bluetooth® Channel Sounding – Technical Overview beschäftigen.

Dieses Mal haben wir mithilfe des zuvor beschriebenen Seilbahn-Testaufbaus die Channel Sounding PCT-Daten (Modus 0 und Modus 2) von 10 Channel Sounding-Verfahren an jedem Zentimeter entlang einer 11,5 Meter langen Strecke erfasst. Unter Verwendung der Phasendifferenz zwischen zwei empfangenen Signalen, wie sie in der folgenden Formel aus dem Bluetooth Channel Sounding Technical Overview erfasst ist, haben wir die Entfernung berechnet:

Wobei:

• c die Lichtgeschwindigkeit ist (ca. 3×10^8m/s).
• Pf2​​−Pf1​​ ist die Phasendifferenz zwischen Signalen bei den Frequenzen f1​ und f2​.
• f2​−f1​ ist die Frequenztrennung zwischen den beiden Signalen.

Diese Formel berechnet die Entfernung r zwischen zwei Geräten, indem die Phasendifferenz der empfangenen Signale interpretiert wird.

Ergebnisse und Analyse

Abbildung 1 zeigt die gemessenen Entfernungen im Vergleich zu den Referenzentfernungen und verdeutlicht, dass in einigen Positionen eine Genauigkeit auf Zentimeterebene erreicht wurde, während in anderen erhebliche Abweichungen auftraten. Für den größten Teil der Strecke überstieg der Entfernungsfehler 1 Meter, wobei der schlechteste Punkt einen Fehler von 6 Metern aufwies.

Abbildung 2 zeigt den Fehler pro Messindex und Abbildung 3 visualisiert die kumulative Verteilungsfunktion (CDF) dieser Fehler. Die x-Achse in der CDF stellt den Fehler (in Metern) dar und die y-Achse zeigt die Wahrscheinlichkeit an. Die orangefarbene Linie bei einer Standardabweichung (ein Sigma) zeigt, dass 68 % der Fehler unter 1,75 Metern lagen. Die grüne Linie, die zwei Standardabweichungen (zwei Sigma) darstellt, zeigt, dass 95 % der Fehler innerhalb von 4 Metern lagen.

Während diese Ergebnisse unter Verwendung von PBR hinter der Genauigkeit zurückbleiben, die wir beim Anwenden von MARS auf Bluetooth Channel Sounding erzielten, übertreffen sie dennoch herkömmliche, auf RSSI basierende Distanzschätzungen. Trotz dieses Defizits liegt der Vorteil in der Einfachheit und Effizienz des PBR-Algorithmus, der nur minimalen Rechenaufwand erfordert und für viele Anwendungen ausreichend genaue Ergebnisse liefert.

Die Herausforderung der Mehrweg-Ausbreitung

Obwohl beide Geräte während des Tests Sichtkontakt hielten, verursachte die Mehrweg-Ausbreitung erhebliche Messfehler. Funksignale breiten sich in alle Richtungen aus, reflektieren an Oberflächen und Objekten und überlagern sich schließlich mit dem direkten Signal, das entlang der Sichtlinie verläuft. Die gemessene Phase ist daher eine Kombination aus allen Pfaden, was zu Ungenauigkeiten führt – ein Phänomen, das als Mehrweg-Ausbreitung bekannt ist.

Hier glänzt MARS. Unser Pathfinder-Algorithmus trennt den direkten Weg von den Mehrweg-Signalen und liefert selbst in herausfordernden Umgebungen eine überlegene Genauigkeit. Bluetooth Channel Sounding mit PBR ist zwar nützlich, erreicht jedoch ohne zusätzliche Algorithmen wie MARS nicht das gleiche Präzisionsniveau.

Fazit: Bluetooth Channel Sounding mit MARS

Bei Metirionic haben wir ein patentiertes Portfolio entwickelt, das die Integration von Bluetooth Channel Sounding mit MARS ermöglicht. Wenn Ihre Anwendung eine höhere Genauigkeit erfordert, als PBR bieten kann, fragen Sie Ihren bevorzugten Siliziumlieferanten, ob MARS für Ihre Geräte mit dem Bluetooth 6.0-Protokoll verfügbar ist. MARS bietet eine einzigartige patentierte Lösung, um die Grenzen von PBR und der Mehrweg-Ausbreitung zu überwinden und die gewünschte Leistung zu liefern.

Für weitere Informationen zu unserer MARS-Technologie und deren Integration mit Bluetooth Channel Sounding kontaktieren Sie uns gerne!