Die Grundlage für präzises Ranging
Die Grundlage für präzises Ranging
Okt 2024
In der drahtlosen Kommunikation ist präzises Ranging entscheidend für Anwendungen wie Indoor-Navigation, Asset-Tracking und proximity-basierte Dienste. Eine der größten Herausforderungen bei der genauen Distanzmessung besteht darin, mit den komplexen Eigenschaften des Kommunikationskanals umzugehen. Hier kommt die Kanalimpulsantwort (CIR, Channel Impulse Response) ins Spiel.
Die Kanalimpulsantwort (CIR, Channel Impulse Response) beschreibt, wie ein Signal mit der Umgebung interagiert, während es zwischen einem Sender und einem Empfänger übertragen wird. In realen Szenarien bewegen sich Signale nicht entlang eines einzigen, direkten Pfades. Stattdessen prallen sie von Wänden ab, reflektieren an Oberflächen und streuen durch Objekte, wodurch mehrere Kopien des Signals entstehen, die zu unterschiedlichen Zeiten beim Empfänger eintreffen. Dieses Phänomen, bekannt als Mehrweg-Ausbreitung (Multipath Propagation), kann es schwierig machen, die korrekte Distanz zu bestimmen.
Für Ranging-Anwendungen ist es entscheidend, den direkten Pfad des Signals zu isolieren – die kürzeste Strecke zwischen Sender und Empfänger. Die CIR erfasst sowohl diesen direkten Pfad als auch zusätzliche reflektierte Signale.
Bei der Zweiwegmessung (2WR, Two-Way Ranging) reist ein Signal vom Sender zum Empfänger und dann wieder zurück, was als Round-Trip-CIR bezeichnet wird. Diese Methode ermöglicht Distanzmessungen basierend auf der Laufzeit des Signals in beiden Richtungen.
Im Gegensatz zur Einwegmessung (1WR, One-Way Ranging), die die CIR nur auf einer Strecke der Reise analysieren würde (und möglicherweise in zukünftigen Bluetooth-Entwicklungen eine Rolle spielen könnte), wird die 2WR-CIR bereits vollständig von der aktuellen Bluetooth 6.0 Spezifikation durch Channel Sounding unterstützt. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt für die präzise Distanzmessung dar und bietet weitaus größere Genauigkeit als herkömmliche RSSI-basierte (Received Signal Strength Indicator) Methoden, die sich nur auf die Signalstärke und nicht auf die detaillierten Kanalcharakteristiken der CIR verlassen.
Die Herausforderung bei der 2WR besteht darin, die komplexe CIR zu verstehen – die Kombination der Signalwege auf dem Hin- und Rückweg. Da das Signal zweimal mit der Umgebung interagiert, werden die Effekte der Mehrweg-Ausbreitung verstärkt. Es wird noch wichtiger und anspruchsvoller, den direkten Pfad von reflektierten Pfaden zu trennen, um präzise Distanzmessungen zu erzielen.
Um zu veranschaulichen, wie sich die CIR in einer realen Umgebung verhält, führte Metirionic einen Seilbahntest auf einer Strecke von 11,5 Metern durch. Wir haben die Round-Trip-CIR an jeder Position in Abständen von 1 cm entlang der Strecke gemessen und so einen umfassenden Überblick darüber geschaffen, wie die Umgebung das Signal an jedem Punkt beeinflusst. Mit diesen Daten haben wir ein Stop-Motion-Video erstellt, das zeigt, wie sich die CIR entlang der Strecke verändert.
Das Video zeigt, dass sich die CIR erheblich verändert, wenn das Signal auf Hindernisse und Oberflächen trifft. Jeder Zentimeter Bewegung erzeugt eine leicht unterschiedliche CIR, was zeigt, wie dynamisch die Umgebung sein kann und warum es wichtig ist, die kombinierten Hin- und Rückwege bei der Berechnung der Distanz zu berücksichtigen.
Mit der aktuellen Bluetooth 6.0-Spezifikation, die 2WR unterstützt, wird das Potenzial für präzise Distanzmessungen im Vergleich zu älteren Methoden wie RSSI-basierten Ansätzen erheblich verbessert. Um jedoch das volle Potenzial von Channel Sounding zu nutzen, ist es entscheidend, die Auswirkungen der komplexen CIR zu verstehen und abzumildern, die die Wechselwirkungen des Signals während der Hin- und Rückreise kombiniert.
Der von Metirionic entwickelte Pathfinder-Algorithmus wurde entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Durch die sorgfältige Analyse der Round-Trip-CIR kann Pathfinder den direkten Pfad von den Mehrwegekomponenten trennen und so sicherstellen, dass die Distanzmessungen auch in Umgebungen mit erheblichen Reflexionen und Streuungen äußerst genau sind.
Während sich Bluetooth Channel Sounding weiterentwickelt, könnten zukünftige Updates 1WR (One-Way Ranging) ermöglichen und damit noch größere Möglichkeiten zur Verfeinerung der Distanzberechnungen bieten. Aktuell jedoch markiert die 2WR (Two-Way Ranging) bereits einen bedeutenden Fortschritt und ermöglicht präzisere Distanzmessungen, die traditionelle Methoden deutlich übertreffen.
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Die Einführung von Bluetooth 6.0 mit Channel Sounding ist ein Durchbruch für präzise Distanzmessungen. Durch den Fokus auf das Verständnis und die Minderung der Effekte der 2WR-CIR liefert Metirionics Pathfinder-Algorithmus hohe Präzision, selbst in schwierigen Umgebungen. Während zukünftige Entwicklungen der Bluetooth-Spezifikation möglicherweise 1WR ermöglichen und noch größeres Potenzial bieten könnten, stellt 2WR heute bereits eine solide Grundlage für präzises und zuverlässiges Ranging dar. Im nächsten Artikel werden wir untersuchen, wie sich die Phasenbasierte Distanzmessung (PBR, Phase-Based Ranging) im Vergleich zu MARS Pathfinder auf Basis von Round-Trip-CIR verhält und wie es herkömmliche Methoden übertrifft.