Bluetooth® Channel Sounding

Außergewöhnliche Indoor- Performance mit dem Metirionic Advanced Ranging Stack

Die Bluetooth SIG hat die neueste Spezifikation, Version 6.0, veröffentlicht, die eine grundlegende neue Fähigkeit für sicheres und genaues Ranging mit dem Namen Channel Sounding einführt. Metirionic entwickelt seit 2013 Lösungen zur drahtlosen Entfernungsmessung und ist stolz darauf, die Fähigkeiten und messbaren Vorteile von MARS für Bluetooth Channel Sounding zu demonstrieren.

 

MARS befindet sich nun in der zweiten Generation (bekannt als MARS 2.0), die von Grund auf neu geschrieben wurde. MARS 1.0, das 2019 entwickelt wurde, war an einzelne Geräte gebunden, wobei jedes Gerät seine eigene Implementierung hatte. Während v1.0 eine gute Lösung darstellte, führt MARS 2.0 eine saubere Trennung der Schichten ein, um eine hochgradig konfigurierbare Version zu bieten, die sich leichter auf verschiedene Hardwareplattformen portieren lässt. Diese Verbesserung steigert die Leistung und Flexibilität bei einer Vielzahl von Geräten und macht es zu einer effizienteren und skalierbaren Lösung.

 

Diese neue Funktionalität zeigt den wachsenden Bedarf an verbesserter Messgenauigkeit und Standortdiensten in Bluetooth LE (BLE) Geräten und Anwendungen. Darüber hinaus setzt sie die Kreativität von Ingenieuren und Produktdesignern frei, die neue Funktionen wie sicheren Zugang, digitale Schlüssel, Näherungserkennung und Standortdienste für Verbraucher-, Industrie-, Automobil- und Einzelhandelsanwendungen bereitstellen möchten.

 

Dieser Artikel baut auf dem vorangegangenen Artikel mit dem Titel „Metirionic’s Advanced Ranging Stack (MARS) Delivers 10cm Accuracy“ auf und bietet detaillierte Testergebnisse, die unter realen Umgebungsbedingungen in Innenräumen mit dem Metirionic Seilbahntester aufgenommen wurden.

Nahtlose Integration und präzise Entfernungsmessung mit minimalem Aufwand

MARS: Effiziente Entfernungsberechnung für Bluetooth LE Channel Sounding

Die neue Channel Sounding-Funktion, die in der Bluetooth 6.0-Spezifikation festgelegt ist, bietet ein erhebliches Potenzial für sichere Anwendungen mit geringer Reichweite. Sie liefert jedoch keine Entfernungsergebnisse. Stattdessen heißt es in der Spezifikation: „Es liegt in der Verantwortung der Anwendung, die vom Controller bereitgestellten Channel Sounding Daten zur Berechnung der Entfernungsmessungen zu verwenden.“ Dies bedeutet, dass der Anwendungsentwickler oder Bluetooth-Integrator einen eigenen Algorithmus entwickeln muss, um Entfernungen auf der Grundlage der Zwischenergebnisse des Channel Sounding-Verfahrens zu berechnen.

 

Metirionic hat diese Herausforderung erkannt und bietet mit dem Metirionic Advanced Ranging Stack (MARS) eine umfassende Lösung an. MARS ist eine hoch konfigurierbare Middleware-Software, die speziell für die Unterstützung von Channel Sounding (CS) mit Bluetooth Low Energy (BLE) entwickelt wurde. Sie ermöglicht es Geräten, den Ausbreitungspfad zwischen sich selbst und einem verbundenen Peer zu charakterisieren, was eine genaue Entfernungsabschätzung und den Ankunftswinkel für digitale Schlüsselanwendungen, präzise Positionierung, Annäherungsdienste und Navigationslösungen ermöglicht.

 

MARS ist so konzipiert, dass es die Ergebnisse des Bluetooth-Channel Sounding-Verfahrens als Eingabe verwendet, insbesondere die PCT-Daten (Phase Correction Term), die In-Phase- und Quadratur-Phase-Werte (I/Q) enthalten. Diese PCT-Daten werden über die Host-Controller-Schnittstelle (HCI) an die Anwendungsschicht weitergeleitet, die sich normalerweise auf dem Host-Controller befindet. Bei dem Host-Controller kann es sich um einen separaten Mikrocontroller handeln, während das eigentliche Channel Sounding-Verfahren im Bluetooth-Gerät selbst stattfindet. Diese Trennung der Zuständigkeiten ermöglicht es MARS, die Daten in einer flexiblen, modularen Architektur zu verarbeiten, die eine nahtlose Integration mit verschiedenen Hardware-Konfigurationen ermöglicht.

 

Durch die Nutzung der PCT-Daten vereinfacht MARS den Prozess der Entfernungsberechnung und gewährleistet eine genaue Interpretation der Channel Sounding-Ergebnisse. Entwickler müssen keine komplexen Algorithmen mehr entwerfen, um Entfernungsmessungen zu extrahieren, da MARS die Daten effizient verarbeitet und zuverlässige Ergebnisse liefert. So können sich die Ingenieure auf die Integration fortschrittlicher Bluetooth LE-Funktionen in ihre Produkte konzentrieren, während MARS im Hintergrund für die Genauigkeit und Leistung sorgt.

 

Mit MARS hat Metirionic den Weg für Entwickler geebnet, fortschrittliche Entfernungsmessungsfunktionen nahtlos in ihre Anwendungen zu integrieren, die Komplexität von Entfernungsberechnungen zu eliminieren und die Leistung für Bluetooth LE-basierte Geräte zu optimieren.

Herausforderungen bei der Signalübertragung in komplexen Umgebungen

Testumgebung in Innenräumen

Die Umgebung in Innenräumen stellt in der Regel sehr schwierige Bedingungen dar, da die Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung, Absorption/Dämpfung, Signalkombination und -auslöschung drastische und negative Auswirkungen auf drahtlose Technologien haben. Die hier gezeigte Umgebung ist nicht anders, da es sich um ein deutsches Bürogebäude handelt, das aus vorgefertigten Stahlbetonplatten besteht, die bekanntermaßen Funkwellen reflektieren und sie gleichzeitig beim Durchgang dämpfen. Unnötig zu sagen, dass dies eine sehr praktische Umgebung ist, um die Vorteile von MARS für BLE Channel Sounding Messungen in Innenräumen zu demonstrieren. Der Testkorridor hat eine Länge von 14 Metern, eine Höhe von 2,8 Metern und eine Breite von 3 Metern, was die Signalreflexionen und -dämpfungen zusätzlich erschwert – Faktoren, die für die Bewertung der realen Leistung von MARS entscheidend sind.

Präzisionsmessungen für Bluetooth Channel Sounding

Metirionic Testseilbahn

Um genaue Entfernungsmessungen zu erhalten, hat Metirionic die Metirionic Testseilbahn als Referenzsystem gebaut, das von einem Schrittmotor angetrieben wird, so dass die Seilbahn auf einer 12 Meter langen Strecke mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich fahren kann. Der Schrittmotor, der von einer GRBL-Firmware – einer gängigen Sprache für CNC-Maschinen – gesteuert wird, sorgt für eine präzise Positionierung der Seilbahn und gewährleistet die für Channel Sounding-Experimente erforderliche Genauigkeit.

 

Hier ist ein Referenzvideo:

 

Dieses Video zeigt den Indoor-Test des Metirionic-Seilbahnsystems für Bluetooth Channel Sounding. Angetrieben von einem Schrittmotor, der über ein Zahnrad mit einem Zahnriemen verbunden ist, ist die Seilbahn in der Lage, präzise Bewegungen entlang einer 12-Meter-Bahn mit Sub-Millimeter-Genauigkeit durchzuführen. Diese Tests wurden für wiederholbare und konsistente Messungen entwickelt und gewährleisten eine optimale Leistung für Bluetooth Channel Sounding Geräte und die Metirionic Advanced Ranging Stack (MARS) Firmware.

Bewertung der Leistungsfähigkeit von MARS in statischen und dynamischen Tests in Innenräumen

Messergebnisse

Es wurden zwei Arten von Tests durchgeführt, um die Leistung von MARS in dieser schwierigen Innenraumumgebung zu bewerten. Bei der ersten Art handelte es sich um statische Messungen, bei denen die Entfernung an bestimmten Punkten entlang der Strecke gemessen wurde, während die Seilbahn stillstand. Die zweite Art von Test war dynamisch, wobei sich die Seilbahn kontinuierlich entlang der Strecke bewegte, während die Entfernungsmessungen in Echtzeit erfasst wurden. Metirionic nutzte die Testgeräte, auf denen MARS in der stark reflektierenden und absorbierenden Innenraumumgebung lief, um Entfernungen zwischen 0 und 11,5 Metern zu messen, die Ergebnisse zu erfassen und mit Referenzentfernungen zu vergleichen, um die Entfernungsgenauigkeit zu bestimmen.

Präzise Entfernungsdaten trotz herausfordernder Innenraumumgebung

Statische Testresultate (Abbildung 1)

Im statischen Test wurde die Seilbahn an bestimmten Punkten entlang der Strecke positioniert. Abbildung 1 zeigt die Referenzentfernungen in blau, die gemessenen Entfernungen in orange und den entsprechenden Fehler in grün. Wie zu sehen ist, schwankt die Fehlerspanne zwischen 0 Metern und 1,4 Metern über die gemessenen Entfernungen, was der schwierigen Innenraumumgebung entspricht. In Anbetracht der Bedingungen ist dies recht beeindruckend, da MARS darauf ausgelegt ist, die negativen Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung, Absorption und Dämpfung, die in komplexen Innenräumen häufig auftreten, zu verringern. Die reflektierenden Oberflächen der Stahlbetonplatten und die engen Korridore schaffen äußerst schwierige Testbedingungen, die in der Regel zu erheblichen Ungenauigkeiten bei der Funkortung führen. Der fortschrittliche Algorithmus von MARS gleicht diese Faktoren jedoch aus und ermöglicht selbst in diesem anspruchsvollen Szenario eine gleichbleibend hohe Genauigkeit.

Statische Testresultate (Abbildung 1)
Kumulative Verteilungsfunktion (CDF) zur Darstellung der Fehlerverteilung

Genauigkeitsanalyse der Entfernungsfehler (Abbildung 2)

Abbildung 2 zeigt eine kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der Entfernungsfehler, die verdeutlicht, wie genau die Lösung ist. Hier stellt die x-Achse den Fehler in Metern dar, während die y-Achse die Wahrscheinlichkeit angibt. Ein Sigma (68 % aller Fehler) entspricht einem Fehler von weniger als 0,65 Metern (~2 Fuß), dargestellt durch die orangefarbene Linie. Zwei Sigma (95 % aller Fehler) bedeutet, dass der Fehler kleiner als 1,25 Meter war (grüne Linie).

Genauigkeitsanalyse der Entfernungsfehler (Abbildung 2)
Präzise Messungen trotz kontinuierlicher Bewegung der Seilbahn

Dynamische Testresultate (Abbildung 3)

Beim dynamischen Test hingegen wurde die Seilbahn kontinuierlich entlang der Strecke bewegt, wobei die Entfernungen in Echtzeit gemessen wurden. Die Ergebnisse des dynamischen Tests sind in den Abbildungen 3 und 4 dargestellt. Während die Ergebnisse des statischen Tests (Abbildungen 1 und 2) die Referenzentfernungen aufgrund der festen Positionierung der Seilbahn in einem „Treppenmuster“ zeigen, stellen die Ergebnisse des dynamischen Tests die Referenzentfernungen als gleichmäßige Rampe dar, die die kontinuierliche Bewegung der Seilbahn widerspiegelt. Abbildung 3 zeigt die Referenzentfernungen für den dynamischen Test in Blau, die eine konstante Zunahme zeigen, während sich die Seilbahn entlang der Strecke bewegt, sowie die gemessenen Entfernungen in Orange und den entsprechenden Fehler in Grün. Die Fehlerspanne schwankt bei den gemessenen Entfernungen zwischen 0 und 2 Metern, was die schwierige Innenraumumgebung widerspiegelt. Trotz der kontinuierlichen Bewegung der Seilbahn bleibt der Fehler in einem ähnlich kleinen Bereich wie bei der statischen Prüfung beobachtet. Dies ist besonders beeindruckend, da die Beibehaltung einer solchen Genauigkeit während der Bewegung die Robustheit von MARS im Umgang mit dynamischen Bedingungen und der Abschwächung der typischen Auswirkungen von Mehrwegeffekten und Signalstörungen zeigt.

Dynamische Testresultate (Abbildung 3)
Fehlerverteilung bei kontinuierlicher Bewegung mittels kumulativer Verteilungsfunktion (CDF)

Genauigkeitsanalyse der dynamischen Messungen (Abbildung 4)

Abbildung 4 zeigt eine kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der Entfernungsfehler, die verdeutlicht, wie genau die Lösung ist. Hier stellt die x-Achse den Fehler in Metern dar, während die y-Achse die Wahrscheinlichkeit angibt. Ein Sigma (68 % aller Fehler) entspricht einem Fehler von weniger als 0,65 Metern (~2 Fuß), dargestellt durch die orangefarbene Linie. Zwei Sigma (95 % aller Fehler) bedeuten, dass die Fehler kleiner als 1,3 m sind (grüne Linie).

Die Leistungsergebnisse der statischen und dynamischen Tests zeigen die Beständigkeit und Präzision von MARS in komplexen Innenräumen. Die Fähigkeit von MARS, unter schwierigen Bedingungen, einschließlich Mehrweginterferenzen und Signaldämpfung, eine niedrige Fehlerspanne beizubehalten, unterstreicht seine Effektivität bei der Unterstützung von Bluetooth Channel Sounding-Anwendungen. Sowohl in stationären als auch in bewegten Umgebungen liefert MARS eine gleichbleibend hohe Genauigkeit und ist damit eine ideale Lösung für Annäherungsdienste, Navigation und standortbezogene Anwendungen. Da sich die Bluetooth-Technologie ständig weiterentwickelt, ist MARS gut positioniert, um die steigende Nachfrage nach präzisen Entfernungsmessungen und Positionierungen in einer Vielzahl von Branchen zu erfüllen.

Genauigkeitsanalyse der dynamischen Messungen (Abbildung 4)
Zuverlässige Präzision unter anspruchsvollen Innenraumbedingungen

MARS ebnet den Weg für Channel Sounding

Diese Ergebnisse zeigen die Konsistenz und Genauigkeit, die MARS für Bluetooth Channel Sounding-Lösungen bietet, insbesondere in anspruchsvollen Innenräumen, die unter erheblichen Funkwellenreflexionen leiden, die Mehrwegeffekte verursachen. Die Fähigkeit von MARS, eine hohe Genauigkeit über unterschiedliche Entfernungen aufrechtzuerhalten, wobei die meisten Fehler unter 1,25 Metern liegen, macht es zu einer führenden Lösung für Bluetooth Channel Sounding-Implementierungen.

 

Da die Bluetooth-Marktakzeptanz ihren erstaunlichen Kurs in Richtung 7 Mrd. jährlicher Auslieferungen fortsetzt, werden die neuen Möglichkeiten, die Bluetooth 6.0 für sicheres Fine Ranging bietet, diesen Ehrgeiz nur noch weiter anheizen und sich zweifelsohne als Wendepunkt in dem erweisen, was wir von neu entstehenden Geräten und Sensoren erwarten können, die Bluetooth LE-Technologie enthalten. Der MARS-Stack von Metirionic ist gut positioniert, um den Anforderungen des Channel Sounding gerecht zu werden. Er wird sowohl als Binär- als auch als Quellcode zur Lizenzierung angeboten und befindet sich direkt über dem Bluetooth-Protokollstack. Die Fähigkeit von MARS, in komplexen Innenraumumgebungen ein genaues Ranging zu liefern, ist für Anwendungen wie Asset Tracking, Indoor-Navigation, Proximity Services und Real Time Location Services von entscheidender Bedeutung.

 

Bleiben Sie gespannt auf weitere spannende Leistungsergebnisse von MARS in neuen Umgebungen, darunter Outdoor-Tests, erweiterte Reichweiten und Non-Line-of-Sight (NLoS) Szenarien. Folgen Sie Metirionic, um als Erste von diesen wichtigen Entwicklungen zu erfahren und zu sehen, wie MARS weiterhin neue Maßstäbe in der Bluetooth-Technologie setzt. Das Engagement von Metirionic bei der Verfeinerung und Weiterentwicklung von BLE-Entfernungslösungen stellt sicher, dass MARS auch in Zukunft an der Spitze der Innovation in der Bluetooth-Technologie stehen wird. Wenn Sie wissen möchten, wie Ihre Produkte die Softwarelösungen, technischen Dienstleistungen, Technologielizenzen und Demo-Kits von Metirionic nutzen können, senden Sie uns einfach eine E-Mail an contact@metirionic.com. Neben der Erörterung Ihrer Interessen und unserer Fähigkeiten kann Metirionic auch aufzeigen, wie Leistungstests speziell für Ihre Hardware und/oder Umgebung durchgeführt werden können.