Phase-Based Ranging und Round-Trip CIR im Vergleich

Drahtlose Entfernungsmessungs-Technologien sind entscheidend für Anwendungen, die präzise Entfernungsmessungen erfordern, wie z. B. die Navigation in Gebäuden, die Verfolgung von Anlagen und die industrielle Automatisierung. Unter den verfügbaren Methoden zur Entfernungsabschätzung wurde das phasenbasierte Entfernungsmessen (Phase-Based Ranging, PBR) im Begleitmaterial von Bluetooth SIG als Beispiel dafür genannt, wie die Entfernungsberechnung mit der Bluetooth® 6.0 Channel Sounding-Funktion durchgeführt werden könnte. PBR bietet zwar einen guten Ausgangspunkt, hat jedoch erhebliche Einschränkungen, insbesondere im Vergleich zu fortschrittlicheren Ansätzen wie der Berechnung der Round-Trip Channel Impulse Response (CIR), die durch den Pathfinder-Algorithmus von Metirionic ermöglicht wird.

In diesem Artikel werden wir PBR und Round-Trip CIR vergleichen und erklären, warum Pathfinder eine genauere und zuverlässigere Lösung für die Entfernungsmessung bietet.

Was ist phasenbasiertes Ranging (PBR)?

Die phasenbasierte Entfernungsmessung (Phase-Based Ranging, PBR) nutzt die Phasendifferenz zwischen zwei Signalen, die auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen werden, um die Entfernung zwischen zwei Geräten zu schätzen. Die Phasenverschiebung dieser Signale hängt mit der Zeitverzögerung des Signals zusammen, die der Entfernung entspricht.

Während PBR in bestimmten Szenarien nützlich ist, ist es wichtig zu beachten, dass die Bluetooth 6.0-Spezifikation keinen spezifischen Algorithmus zur Berechnung von Entfernungen definiert. PBR wird in den Unterlagen der Bluetooth SIG als ein Beispiel dafür genannt, wie Entwickler Channel Sounding-Daten zur Abschätzung der Entfernung verwenden können. Der eigentliche Algorithmus liegt jedoch außerhalb des Geltungsbereichs der Spezifikation und wird den Entwicklern zur Implementierung überlassen, was ein Höchstmaß an Flexibilität für Innovation und Differenzierung bietet.

Beschränkungen von PBR: Mehrwegeausbreitung

Eine der größten Herausforderungen bei PBR ist die Empfindlichkeit gegenüber Mehrwegeausbreitung, bei der Signale von Objekten und Oberflächen reflektiert werden, wodurch mehrere Pfade entstehen, die das direkte Signal stören können. Bei PBR wird nur die Phasendifferenz zur Abschätzung der Entfernung verwendet, und die Methode verfügt nicht über einen Mechanismus zur zuverlässigen Unterscheidung zwischen dem direkten Pfad und reflektierten Pfaden.

Dies führt zu Ungenauigkeiten in komplexen Umgebungen, in denen mehrere Signale zu unterschiedlichen Zeiten eintreffen und sich so kombinieren, dass die Phasenmessung verzerrt oder ganz ausgelöscht wird. Frühere Tests von Metirionic haben gezeigt, dass PBR in begrenzten, kontrollierten Umgebungen zwar eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erreichen konnte, die Fehler jedoch deutlich zunahmen – bis zu mehreren Metern -, wenn es in Umgebungen mit starken Mehrweg-Interferenzen wie in Innenräumen und sogar in bestimmten Szenarien im Freien getestet wurde.

Round-Trip CIR: Ein umfassenderer Ansatz

Die Grenzen des PBR machen deutlich, dass eine robustere Methode zur Entfernungsmessung erforderlich ist. Im Gegensatz zu PBR, das sich ausschließlich auf Phasendifferenzen stützt, verwendet Round-Trip CIR die komplexe Darstellung der empfangenen Signalvektoren, die sowohl In-Phase- (I) als auch Quadratur- (Q) Komponenten des Signals zur Berechnung der CIR einbezieht. Dies ermöglicht eine detailliertere und genauere Darstellung der Interaktion des Signals mit der Umgebung.

Durch die Analyse des gesamten CIR, d. h. des Verhaltens des Signals sowohl auf dem Hin- als auch auf dem Rückweg, kann man sich ein viel klareres Bild von der Umgebung machen. Die Round-Trip-CIR berücksichtigt nicht nur die Phasendifferenzen, sondern auch die Größe des Signals und liefert eine zuverlässigere Schätzung der Entfernung, selbst in Umgebungen mit erheblichen Reflexionen und Streuungen.

Die Beziehung zwischen I/Q-Werten und Phase und Magnitude

Um zu verstehen, warum Round-Trip CIR genauer ist als PBR, ist es wichtig, die Beziehung zwischen den I/Q-Werten des empfangenen Signals und seiner Phase und seinem Betrag zu erkennen. Die I/Q-Komponenten stellen das Signal in einer komplexen Ebene dar, wobei die I-Komponente dem Realteil des Signals und die Q-Komponente dem Imaginärteil entspricht.

• Der Betrag des Signals wird durch den Abstand zwischen dem Ursprung und dem Signalpunkt in der I/Q-Ebene bestimmt und wie folgt berechnet $$\text{Magnitude} = \sqrt{I^2 + Q^2}$$
• Die Phase des Signals ist der Winkel, der zwischen dem Signalpunkt und der I-Achse gebildet wird, berechnet als $$\text{Phase} = \arctan\left(\frac{Q}{I}\right)$$.

Während PBR nur die Phaseninformation zur Abstandsschätzung verwendet, berücksichtigt die CIR-Methode sowohl die Phase als auch den Betrag. Auf diese Weise bietet sie ein umfassenderes Verständnis dafür, wie das Signal durch die Umgebung beeinflusst wird, was zu einer höheren Genauigkeit führt, insbesondere in Mehrwegszenarien.

Der Unterschied zwischen PBR und Pathfinder mit Round-Trip CIR

Der Pathfinder-Algorithmus von Metirionic nutzt die Vorteile der Round-Trip CIR voll aus, so dass er PBR in Umgebungen mit erheblicher Mehrwegeausbreitung übertrifft. Hier erfahren Sie, warum Pathfinder eine überlegene Lösung bietet:

1. Umfassende Signalanalyse: Durch die Analyse sowohl der Phase als auch des Betrags der empfangenen Signalvektoren (I- und Q-Werte) erhält Pathfinder ein vollständiges Bild des Signalverhaltens. Dies führt zu genaueren Entfernungsschätzungen, selbst in schwierigen Umgebungen.
2. Mehrwegeinschränkung: Pathfinder ist speziell für die Verwaltung der Mehrwegeausbreitung konzipiert. Durch die Analyse der vollständigen CIR, einschließlich Reflexionen und gestreuter Signale, kann er den direkten Pfad von reflektierten Pfaden trennen und so sicherstellen, dass die Entfernungsmessung auf der tatsächlichen Signallaufzeit basiert.
3. Größere Genauigkeit bei Tests in der Praxis: Bei Seilbahntests auf einer 11,5-Meter-Bahn wies PBR aufgrund von Mehrwegeffekten erhebliche Fehler auf, mit Abweichungen von bis zu 6 Metern in einigen Fällen. Bei Anwendung des Pathfinder-Algorithmus lieferte das Round-Trip CIR eine konstante Genauigkeit im Zentimeterbereich über die gesamte Strecke und bewies damit seine Fähigkeit, reale Innenraumbedingungen zu bewältigen.
4. Konsistenz in verschiedenen Umgebungen: Einer der wichtigsten Vorteile von Pathfinder ist seine Konsistenz. Ob in einer Umgebung mit direkter Sichtlinie oder in einem reflektierenden, mit Hindernissen gefüllten Raum, die Fähigkeit von Pathfinder, die vollständige CIR zu analysieren, gewährleistet zuverlässige, präzise Entfernungsmessungen.

Zur Veranschaulichung der Unterschiede in der Genauigkeit zwischen PBR und Pathfinder mit Round-Trip CIR sind die folgenden Abbildungen zu betrachten:

Abbildung 1 veranschaulicht die kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der Fehler des PBR. Die x-Achse 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 m lagen. Die grüne Linie bei zwei Standardabweichungen (zwei Sigma) zeigt an, dass 95 % der Fehler innerhalb von 4 Metern lagen.

Abbildung 1: Kumulative Verteilungsfunktion (CDF) für PBR

Abbildung 2 veranschaulicht die kumulative Verteilungsfunktion (CDF) für MARS Pathfinder unter Verwendung von Round-Trip CIR für diese Fehler. Die x-Achse 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 m lagen. Die grüne Linie bei zwei Standardabweichungen (zwei Sigma) zeigt an, dass 95 % der Fehler innerhalb von 3 Metern lagen.

Abbildung 2: Kumulative Verteilungsfunktion (CDF) des Pathfinders mit Round-Trip-CIR-Fehlern.

Diese Zahlen zeigen deutlich, dass Pathfinder mit Round-Trip CIR die Fehler im Vergleich zu PBR deutlich reduziert und genauere und zuverlässigere Entfernungsmessungen in verschiedenen Umgebungen ermöglicht.

Blick in die Zukunft: Die Zukunft des Bluetooth Channel Sounding

Die Bluetooth 6.0-Spezifikation mit Channel Sounding enthält zwar keinen spezifischen Algorithmus für die Entfernungsberechnung, hat aber bereits die Grundlage für eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit im Vergleich zu älteren Methoden wie der RSSI-basierten Ortung geschaffen. Im Gegenzug werden neue Anwendungsfälle und Anwendungen entstehen, die die Vorteile einer solchen sicheren und präzisen Entfernungsmessung voll ausschöpfen, was natürlich zu weiteren Verbesserungen führen wird. Die Bluetooth 6.0-Spezifikation legt fest, dass jede Messung innerhalb der „Time for Phase Measurement“ (T_PM) zu einem einzelnen Phasenkorrelationsterm (PCT) führt, der als komplexe Zahl I+jQ ausgedrückt wird. Die IQ-Terme werden jeweils mit 12 Bits kodiert. Dies öffnet die Tür für fortschrittliche Algorithmen wie Pathfinder, die auf dem Standard aufsetzen und noch präzisere Entfernungsmessungen unter Verwendung dieser komplexen Signaldarstellungen ermöglichen.

Zukünftige Versionen der Spezifikation könnten zusätzliche Funktionen unterstützen, wie z. B. One-Way-Ranging (1WR), was die Möglichkeiten der Entfernungsberechnung weiter verbessern würde. Doch schon heute bietet die Kombination von 2-Way Ranging (2WR) mit Pathfinder eine solide Grundlage für hochgenaue Entfernungsmessungen in einer Vielzahl von Umgebungen.

Zusammenfassung

Während die phasenbasierte Entfernungsmessung (Phase-Based Ranging, PBR) in einigen begrenzten Szenarien eine einfache Methode zur Entfernungsmessung bietet, ist sie aufgrund ihrer Einschränkungen bei der Behandlung von Mehrwegeausbreitung für hochpräzise Anwendungen, insbesondere unter realen Bedingungen, weniger zuverlässig. Durch die Verwendung der komplexen Darstellung der empfangenen Signalvektoren (I- und Q-Werte) bietet der Pathfinder-Algorithmus von Metirionic einen umfassenderen und genaueren Ansatz, der auf der Round-Trip CIR basiert und dabei in der Lage ist, die Berechnungen zu minimieren und somit Energie zu sparen. Dies ermöglicht eine konsistente Präzision auf cm-Ebene, selbst in Umgebungen, in denen PBR Schwierigkeiten hat. Mit der Weiterentwicklung von Bluetooth Channel Sounding verschiebt Pathfinder weiterhin die Grenzen des Möglichen im Bereich der drahtlosen Ortung.