Bluetoothin 5.1-määritys tarjoaa mahdollisuuden määrittää laitteen sijainti senttimetrien tarkkuudella. Siksi Bluetooth avaa joukon edistysaskeleita automaatioon ja sisätilojen paikannukseen. Samalla Bluetooth osoittaa vahvuutensa kuluttajalaitteiden lisäksi ensimmäistä kertaa ankarien teollisten sovellusten vakavasti otettavana tekniikkana.

Artikkelin kirjoittaja Felix Graf toimii Rutronikilla langattomien tuotteiden myyntipäällikkönä.

Viimeisimmällä Bluetooth Low Energy -standardilla eli Core Specification 5.1: llä (saatavana täältä) Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) on rakentanut tietä entistä tarkemmille sijaintipalveluille, jotka perustuvat laajalti käytettyyn Bluetooth-standardiin. ABI Research arvioi, että vuonna 2023 myydään jopa 431 miljoonaa tuotetta, jotka tukevat Bluetooth-paikannuspalveluja.

Tunnetun RSSI-pohjaisen etäisyyslaskennan lisäksi uusi standardi sisältää suunnanmääritysominaisuuden, jonka avulla voidaan määrittää suunta, josta signaali tulee. Tämä mahdollistaa erittäin tarkan paikannuksen muutaman senttimetrin tarkkuudella, mikä tarjoaa laajan valikoiman uusia mahdollisuuksia sekä kuluttaja- että teollisuussovelluksissa. Nordic Semiconductorin nRF52811 on yksi markkinoiden ensimmäisistä v5.1-kvalifioiduista järjestelmäpiireistä. Se mahdollistaa uuden suunnanmääritysominaisuuden käytön ja on jo saatavana Rutronikilta.

Läheisyyden arviointi ja sijainnin paikannus

Bluetooth-pohjaiset sijaintipalvelut jakautuvat kahteen luokkaan, joita kutsutaan läheisyysratkaisuiksi ja paikannusjärjestelmiksi. Ensin mainitut ovat usein yksinkertaisia sovelluksia, joita voidaan käyttää arvioimaan etäisyyttä kahden Bluetooth-laitteen - usein älypuhelimien - välillä. Nykyään läheisyysratkaisuihin sisältyy tyypillisesti kiinnostavia paikkoja (PoI) koskevia tietoratkaisuja, esimerkiksi vähittäiskaupoissa tai museoissa: Kun käyttäjät lähestyvät kiinnostavaa paikkaa, he saavat yksityiskohtaista tietoa eri esineistä.

Monet päivittäisten kohteiden hakuominaisuudet perustuvat myös läheisyysratkaisukonseptiin. Näissä sovelluksissa etsittävälle esineelle (näppäinrengas, kuormalava, ...) asetetaan ns. majakkatunniste tai -tagi, joka voidaan sitten löytää älypuhelimen avulla. Joissakin tapauksissa tunnisteen visuaalisia tai akustisia signaaleja voidaan ohjata myös älypuhelimen avulla.

Paikannusjärjestelmät puolestaan määrittävät yksittäisten esineiden fyysisen sijainnin suljetussa järjestelmässä - ts. selvästi määritellyllä alueella, kuten varastossa, museossa, tai lentokentän odotusaulassa. Yleisimmät sovellukset ovat reaaliaikaiset paikannusjärjestelmät (RTLS) ja sisätilan paikannusjärjestelmät (IPS).

RTLS:llä voidaan seurata useita objekteja - ihmisiä tai tavaroita - vastaavilla tunnisteilla suljetussa järjestelmässä. Tunniste lähettää säännöllisesti majakkasignaalin, jonka pysyvästi asennetut paikantimet tallentavat. Jos ainakin kolme paikanninta vastaanottaa signaalin, paikannuslaskenta määrittää merkinnän likimääräisen sijainnin näiden perusteella. Mitä nopeammin jäljitettävä kohde liikkuu, sitä useammin paikantimet tarvitsevat majakkasignaalin. Esimerkiksi RTLS sopii laitteiden, kuormalavojen tai ihmisten paikantamiseen ja seuraamiseen varaston sisällä.

Sisätilan paikannusjärjestelmät ovat verrattavissa GPS:ään, mutta toimivat sitä vastoin myös sisäympäristöissä. Tätä varten paikanninmajakat lähettävät säännöllisesti signaaleja esimerkiksi älypuhelimiin. Sitten puhelin laskee suhteellisen sijaintinsa niiden etäisyyksien perusteella, jotka sillä on yksittäisiin majakoihin. Tämän ansiosta matkustajien tai vierailijoiden on helpompi liikkua lentokentän tai ostoskeskuksen ympärillä.

Tähän asti kaikki Bluetooth-paikannusjärjestelmät ovat perustuneet etäisyyden arviointiin käyttämällä vastaanotetun signaalin voimakkuuden mittausta (tunnetaan nimellä RSSI). Tätä tarkoitusta varten lähettimet, esimerkiksi iBeacon (Apple) tai Eddystone (Android), lähettävät referenssitehoarvon signaalinsa sisällön lisäksi. Tämä ilmaisee lähetetyn signaalin signaalinvoimakkuuden määrätyssä pisteessä ja etäisyyden lähettimestä. Käyttämällä näitä tietoja ja mitattua signaalin voimakkuutta vastaanotin määrittää tarkasti etäisyyden majakkaan vain muutaman metrin (1-10 m) tarkkuudella.

Antenniryhmä löytää suunnan

Uusi ominaisuus Bluetooth 5.1:ssä on suunnan määrittäminen. Sen avulla käyttäjät voivat määrittää signaalin suunnan etäisyyden lisäksi. Perinteiset läheisyyden tunnistusratkaisut hyötyvät myös tästä ominaisuudesta, koska vastaanotetun signaalin suunta on välttämätön tieto, joka helpottaa huomattavasti esimerkiksi kohteen etsimistä.

Tämä ominaisuus on mahdollista LE 1M PHY- (fyysinen kerros) ja LE 2M PHY -tilassa, mutta ei low energyn -linkin koodatussa PHY-osassa. Siksi Bluetooth 5.1 ei vielä tarjoa suunnanmääritysominaisuutta 500 ja 125 kbps -käyttötilassa.

Signaalin suunnan määrittämiseksi joko paikannussignaalin vastaanottimella (saapumiskulma, AoA) tai lähettimellä (lähtökulma, AoD) on oltava kiinteä antenniryhmä. Molemmissa arkkitehtuureissa vastaanotin käyttää useiden signaalien vaihe-eroa määrittääkseen suunnan, josta signaali tulee IQ-näytteenoton avulla (vaihe- ja kvadratuurinäytteet). IQ-näyte sisältää vastaanotetun signaalin amplitudin ja vaiheen. Tiedot siirretään radiosta sovellustasolle, joka sitten määrittää suunnan algoritmien avulla.

Suunnanmääritysalgoritmit eivät kuitenkaan ole osa Bluetooth 5.1 -standardia. Ne voidaan muodostaa kolmiomittaamalla yksi tai useampi kulma, joka määritetään AoA:lla tai AoD:lla. Tällöin etäisyys mitataan RSSI:llä. Mittausten avulla käyttäjät voivat määrittää sijainnin peräti senttimetrin tarkkuudella.

AoA seurantaan, AoD navigointiin sisätiloissa

AoA-sovelluksessa lähetin on majakka, jossa on yksi antenni, kuten älypuhelin tai pieni, edullinen tunniste (tagi). Useat pysyvästi asennetut paikantimet - joista jokaisessa on monimutkainen antenniryhmä - määräävät suunnan, josta signaali vastaanotetaan. AoA-sovellukset soveltuvat erityisen hyvin esineiden seurantaan (RTLS), esimerkiksi automatisoidussa valmistuksessa tai varastoissa. Ne mahdollistavat myös entistä suuremman tarkkuuden käytettäessä majakoita PoE-paikoissa. Koska pysyvästi asennetut paikantimet mahdollistavat jatkuvan seurannan, käytetään AoA-sovelluksia todennäköisimmin järjestelmissä, joissa hyödynnetään yhteysorientoitunutta tietoliikennettä.

AoD-sovellus käyttää majakkasignaalin lähettimen antenniryhmää signaalin lähettämiseen peräkkäin eri antennien kautta. Tässä tapauksessa vastaanottimella, todennäköisesti tulevaisuuden älypuhelimella, on yksi antenni, johon eri signaalit saapuvat peräkkäin. Jos vastaanotin tietää antennijärjestelmien asettelun, se voi käyttää IQ-näytettä vastaanotetun signaalin suunnan määrittämiseen. Jos majakoiden sijainti tunnetaan myös, paikannin voi myös määrittää sen sijainnin suhteessa lähettimiin. Tämä tekee AoD-sovelluksista erityisen sopivia sisätilojen paikannusjärjestelmiin, jotka mahdollistavat yksinkertaisen navigoinnin sisäympäristöissä esimerkiksi lentokentillä. Aiemman sisätilapaikannuksen sijaan käyttäjät eivät nyt vain vastaanota sijaintiaan, vaan myös osoitetun suunnan kohteeseen. Toisin kuin AoA-sovelluksissa, AoD-arkkitehtuuri sopii paremmin tilanteisiin, jotka perustuvat yhteydettömään (connectionless) viestintään.

Antenniryhmän suunnittelu

Käytetystä arkkitehtuurista riippumatta olennainen tekijä suunnanmääritysominaisuuden onnistumiselle on antennien lukumäärä ja rakenne. Yksinkertaiset, lineaariset rakenteet mahdollistavat vain yhden kulman laskemisen. Monimutkaisemmat kolmiulotteiset antennisuunnittelut mahdollistavat sekä vaaka- että pystysuuntaisen kulman laskemisen (suunta ja korkeus). Bluetooth SIG -järjestö ei ole vielä määritellyt tai suositellut antennisuunnitteluja. Tämä kuitenkin todennäköisesti muuttuu, kun profiilimääritysten uusien sijaintipalvelujen tekniset tiedot julkaistaan tulevaisuudessa.

Signaalin suunnan määrittämiseksi BLE-pakettiin on kytketty ylimääräisten binaarisymbolien ketju [“0” tai “1”], joka tunnetaan nimellä ”vakioäänen laajennus” (CTE, constant tone extension). Tämän avulla vastaanotin voi kerätä riittävästi IQ-tietoja suunnanmäärityksen suorittamiseksi. Jotta suuntahaku olisi mahdollisimman tarkka, on edullista rajoittaa se yhdelle aallonpituudelle. Bluetooth-kanavan modulaatio “0” ja “1” perustuu kuitenkin taajuusmodulointiin. Sen seurauksena CTE lähettää vain symbolisarjan, joista kukin edustaa binaarista symbolia. CTE on kiinnitetty paketin päähän syklisen redundanssitarkistuksen (CRC) jälkeen, joten sillä ei ole vaikutusta CRC:een. Sillä ei ole myöskään vaikutusta salatun viestin eheyden tarkistukseen (MIC, message integrity check).

Signaalin laadun parantamiseksi ja mahdollisten kielteisten vaikutusten estämiseksi paikantimeen identtisten symbolien (esim. ykkösten) pitkät ketjut sekoitetaan usein prosessilla, joka tunnetaan nimellä whitening. CTE ei sitä vastoin ole tämän prosessin alainen, jotta tarkkuus pysyisi mahdollisimman suurena.

Bluetooth 5.1:llä on valtava potentiaali

Esittelemällä viimeisimmän sukupolven Bluetooth Core Specification 5.1 ja siihen johdetut suunnanmääritysominaisuudet, Bluetooth SIG on ottanut suuren askeleen kohti tarkempia sijaintipalveluita, jotka voivat edistää merkittävästi erilaisia sovellusskenaarioita. Jotkut näkökohdat on kuitenkin otettava huomioon tämän potentiaalin hyödyntämiseksi. Ihanteellisen sovellusskenaarion on minimoitava signaalin heijastukset ja monipoluhäiriöt (multipath interference). Ihanteellinen on suljettu järjestelmä, jossa on riittävä määrä pysyvästi asennettuja antureita, joilla on jatkuva näkyvyys merkitsijöihin/tageihin.

Bluetooth 5.1 on integroitava kaikkiin tavanomaisiin älypuhelimiin, jotta sisätiloissa tapahtuva navigointi älypuhelimilla olisi käytännössä mahdollista. Älypuhelimia käytettäessä on lisäksi otettava huomioon polarisaatio, koska niiden suuntaa on vaikea hallita. Älypuhelimien rajoitetun tilan vuoksi on todennäköistä, että tulevaisuudessa käytössä on vain yksi antenni. Älypuhelimia voidaan siis käyttää vain lähettiminä AoA-sovelluksissa tai paikantimina AoD-sovelluksissa.

Lähteet:

Bluetooth Core Specification 5.1
https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification/?utm_campaign=location-services&utm_source=press-release&utm_medium=link&utm_content=direction-finding-press-release

Bluetooth-paikannuspalvelujen parantaminen
https://3pl46c46ctx02p7rzdsvsg21-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2019/03/1901_Enhancing-Bluetooth-Location-Service_FINAL.pdf

Suunnanmäärittämisen tekniikkaa
https://3pl46c46ctx02p7rzdsvsg21-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/Files/developer/1903_RDF_Technical_Overview_FINAL.pdf

Bluetooth-markkinakatsaus 2019, ABI Research
https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/2019-bluetooth-market-update/