There are four solutions for indoor positioning: UWB, Wi-Fi, BLE beacon / BLE AoA. For the accuracy range, UWB is 0.1 m ~ 1 m; Wi-Fi and BLE beacon is 5 m ~ 20 m with a larger error range. As the first commercial BLE AoA positioning service company, Quuppa can control the accuracy range within 0.1 m ~ 1 m (with the TI CC254x and Nordic nRF5281x chips).

2. Analysis of Indoor Positioning Theory

No matter what kind of positioning method, the indoor positioning system needs to draw the architectural modeling of the actual scene, deploy the receiver router in the indoor area, and mark the corresponding location on the modeling map. The mobile phone or the beacon module broadcast wireless signals. The receiver router deployed in a fixed position can confirm the location area range of the beacon after received the wireless signals.

The arrival angle of the beacon signal can be measured by multiple antennas after confirmed the location area range. Combined with triangulation positioning, the accurate position of beacon equipment can be calculated.

Triangulation

Triangulation is to measure the position of the beacon device through two sets of AoA data. As shown in the figure below, two sets of antennas can measure one AoA data, and two AoA data can measure the position of device A. Both d and D are known parameters, how we can get θ1 and θ2.

3. AoA Measurement Theory

• Frequency: Bluetooth operates in the ISM (Industrial Scientific and Medical) band from 2.40 GHz to 2.41 GHz with a bandwidth of 2 MHz. Bluetooth is divided into three broadcast channels 37, 38, and 39. In the Bluetooth v5.x core specification, the extended broadcast of the Bluetooth LE can be broadcasted in any channel from 0 to 39, that is, the Bluetooth v5.1 beacon can work on any Bluetooth channel. (The frequency of Bluetooth is inconsistent when it is working, which will affect the Bluetooth wavelength λ.)

• AoA calculation: Supposing that there is a fixed-frequency Bluetooth beacon signal broadcasting in an open area (ignoring obstacles and other 2.4 GHz signal interference in the air). If the two receivers are on the same radius and at the same TX end, at a certain time t, the phase difference received by the RX receiver should be 0. But if the receiver is in a position with an inconsistent radius, at a certain time t, there is a difference in the phase of the RX receiver.

If the above diagrams are not easy to understand, let's change to the following diagrams to show the schematic. In the process of signal transmission, due to different antenna positions, the phase of the signal sampled at a certain time t is different.

Советы : В принципе, разность фаз можно рассчитать с помощью двух антенн, а многоантенная решетка может помочь улучшить характеристики защиты от помех.

• Ошибка измерения угла обзора

Взяв в качестве примера двумерную плоскость, будет два угла α. А в реальных трехмерных координатах будет траектория окружности с радиусом α. Приемник AoA знает только, что сигнал маяка находится на траектории круга, однако он не может определить, где они находятся на круге. В это время необходима ортогональная антенная решетка для подтверждения координат положения точки радиомаяка.

Антенные решетки могут быть расположены различными способами. Одной задачей является позиционирование, а другой задачей является минимизация количества развертываний приемников. Распространенные варианты развертывания антенных решеток показаны ниже.

Пример антенной решетки

• Антенная решетка приемника Quuppa

4. Развертывание программного обеспечения Bluetooth 5.1 AoA

SIG сделала соответствующие спецификации для протокола AoA на уровне логической связи в основной спецификации Bluetooth 5.1.

AoA/AoD может работать на обычном PHY 1M или 2M (кодирование PHY не поддерживается) и может поддерживать широковещательный режим и режим соединения. К формату передачи данных предъявляются следующие требования: в пакете данных PDU стандартизирована спецификация AoA/AoD. CTE — это расширенные данные пакета данных AoA/AoD, длительность которых составляет 16–160 мкс. Модуляция сигнала 250 кГц осуществляется на несущей без отбеливания и проверки CRC. Сигнал используется приемником RX для выборки значения I/Q сигнала в момент времени t и вычисления разности фаз.

5. Проблемы проектирования АОА

5.1 Интерференция отражения сигнала

5.2 Компенсация времени переключения

5.3 Ошибка значения угла

В измерении должна быть ошибка, и диапазон ошибок обычно составляет 3% ~ 5%. Нужен алгоритм для уменьшения ошибки.

6. Сопутствующие продукты Bluetooth AoA

• Модуль BLE5.0 CC2640R2F-Q1 для автомобильной техники RF-BM-4077B2
• Модули Bluetooth 5.0 Low Energy с чипом TI CC2640 RF-BM-4077B1
• Модуль Bluetooth 5.0 с низким энергопотреблением CC2640R2FRSM RF-BM-4044B5

7. Поставщик чипов AoA

Техасские инструменты AoA

Кремниевые лаборатории AoA

Область действия диалога

Скандинавский угол обзора