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Use plataformas habilitadas con Bluetooth 5.1 para seguimiento de activos y posicionamiento en interiores precisos - Parte 1

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del editor: La parte 1 de esta serie de dos partes describe las capacidades de búsqueda de dirección de Bluetooth 5.1, una adición al firmware Bluetooth de baja energía que permite a los diseñadores desarrollar aplicaciones de ubicación basadas en el AoA (ángulo de llegada) y el AoD (ángulo de salida), tales como los sistemas de seguimiento de activos y de IPS (posicionamiento en interiores). Luego presenta plataformas adecuadas sobre las cuales ejecutar las nuevas características. La Parte 2 muestra cómo se pueden desarrollar aplicaciones basadas en la búsqueda de dirección de Bluetooth 5.1 y describe cómo comenzar a operar en estas plataformas.

La demanda de servicios de ubicación va creciendo a medida que las empresas de logística buscan mejorar la eficiencia de la cadena de suministro mediante el seguimiento de los activos en tiempo real, y las empresas buscan mejoras en la productividad mediante el monitoreo del personal y los movimientos de los clientes. Si bien el RSSI (indicador de intensidad de señal recibida) de Bluetooth se puede usar para estimar la distancia desde un punto fijo conocido, esta técnica a menudo no es lo suficientemente precisa para aplicaciones de tipo IPS y el seguimiento de activos. Sin embargo, una actualización de la especificación de Bluetooth ofrece un camino hacia delante más preciso.

En concreto, la última versión de la especificación Bluetooth Core (v5.1) (comercializada como "Búsqueda de Dirección Bluetooth 5.1") ha agregado funciones de búsqueda de dirección de AoA y AoD que hacen que sea mucho más fácil para los desarrolladores poder determinar con precisión la posición de un transmisor Bluetooth en dos o tres dimensiones.

En la primera de las dos partes de este artículo, se describen el AoA y AoD y se explica cómo las mejoras en la especificación Bluetooth Core facilitan la implementación de las técnicas. Luego presenta plataformas viables sobre las cuales implementar aplicaciones de búsqueda de dirección.

Técnicas de búsqueda de dirección de RF

La búsqueda de dirección de RF (radiofrecuencia) basada en RSSI proporciona una aproximación de la distancia basada en la intensidad de la señal. Se puede lograr una mayor precisión al realizar múltiples mediciones de distancia desde diferentes puntos. Una ventaja clave del RSSI es que solo requiere una antena por dispositivo, lo que elimina la complejidad, el costo y el tamaño de las matrices de antenas. La desventaja está en la falta de exactitud, ya que la técnica ofrece una precisión de 3 a 5 metros (m).

Una segunda técnica de búsqueda de dirección se conoce como ToA (tiempo de llegada) y se refiere al tiempo de viaje de una señal de radio desde un solo transmisor a un solo receptor remoto. Nuevamente, este método requiere solo una antena por dispositivo, pero la desventaja es que demanda que cada dispositivo lleve un reloj sincronizado de alta precisión. La precisión posicional para los sistemas de ToA puede aproximarse a 1 m.

Con el lanzamiento de la especificación Bluetooth 5.1, el SIG (grupo de interés especial Bluetooth) eligió apoyar una tercera técnica de búsqueda de dirección basada en el AoA y el AoD.

Con el AoA, un dispositivo receptor rastrea los ángulos de llegada para objetos individuales, mientras que con el AoD, el dispositivo receptor calcula su propia posición en el espacio usando ángulos de múltiples radiofaros y sus posiciones (Figura 1).

Diagrama del método AoA (izquierda) y el método AoD (derecha) de búsqueda de direcciónFigura 1: En el método de AoA de búsqueda de dirección (izquierda), los activos transmiten (TX) su ubicación a un localizador de AoA que mide el ángulo de llegada de la señal. Con el método del AoD (derecha), los radiofaros transmiten información del AoD mientras que un dispositivo móvil recibe (RX) las señales de radiofaro y calcula la posición. En cada caso, el dispositivo receptor es el que requiere la potencia computacional para calcular la dirección del transmisor. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

La decisión de incluir una función de búsqueda de dirección en Bluetooth 5.1 se tomó, en parte, debido a la influencia de algunas empresas innovadoras que ya ofrecen soluciones patentadas de AoA y AoD para productos BLE (Bluetooth de bajo consumo). Bluetooth 5.1 permite que los desarrolladores aprovechen con mayor facilidad la búsqueda de dirección de RF al incluir una actualización de la especificación Core para que sea más fácil extraer datos de señal "IQ" (información en fase y en cuadratura) de los paquetes BLE. Esto, a su vez, facilita que los desarrolladores implementen aplicaciones de servicio de ubicación.

Por ejemplo, el método AoA es adecuado para rastrear un transceptor BLE. Usando una sola antena, el transceptor envía paquetes habilitados para encontrar la dirección que son recibidos por un “localizador” de múltiples antenas. El localizador toma muestras de los datos IQ de los paquetes de señal mientras cambia de una antena activa a la otra en la matriz; al hacerlo, detecta la diferencia de fase de la señal debido a la diferencia en la distancia de cada antena en la matriz a la única antena transmisora. El motor de posicionamiento luego usa la información de diferencia de fase para determinar el ángulo desde el cual se recibieron las señales y, por lo tanto, la dirección del transmisor (Figura 2).

Diagrama del ángulo de llegada de una señal de radio.Figura 2: El ángulo de llegada de una señal de radio se puede calcular si se conoce la fase de señal (θ) en cada antena, la longitud de onda (λ) y la distancia (d) entre antenas adyacentes. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

La combinación de la dirección de la señal calculada desde dos o más localizadores permite localizar un transmisor (Figura 3).

Diagrama de AoA de señales en dos localizadores fijosFigura 3: Al calcular el AoA de señales en dos localizadores fijos, se puede calcular la posición de un activo de transmisión en tres dimensiones. Si se conocen las coordenadas absolutas de los localizadores, también se pueden calcular las coordenadas absolutas del activo transmisor. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

El método AoD funciona de manera inversa. En este escenario, el dispositivo con la matriz de antenas envía una señal a través de cada una de sus antenas. A medida que cada paquete de señal de las antenas en la matriz llega a la única antena del receptor, cambia de fase con respecto a la señal anterior debido a la distancia diferente que ha recorrido desde el transmisor (Figura 4).

Diagrama de antenas y receptor del método de AoD.Figura 4: Con el método de AoD, a medida que cada paquete de señal de las antenas en la matriz llega a la antena única del receptor, cambia de fase con respecto a la señal anterior debido a la distancia diferente que ha recorrido desde el transmisor. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

La antena del dispositivo receptor toma muestras de IQ de los paquetes de señales y las envía al motor de posicionamiento, que luego utiliza los datos para determinar el ángulo desde el cual se recibieron las señales y, por lo tanto, la dirección del transmisor. Este sistema es adecuado para aplicaciones como la navegación en interiores, en las que el transmisor es un punto de referencia fijo y el receptor es, por ejemplo, el teléfono inteligente de un consumidor.

Actualizaciones a Bluetooth 5.1

Bluetooth 5.1 exige cambios en el protocolo de software de RF (o "pila") y, según quién sea el fabricante de chips, algunas mejoras de hardware (radio). Primero, el protocolo revisado agrega una CTE (extensión de tono continuo) a cualquier paquete Bluetooth utilizado para la búsqueda de dirección. (Los paquetes no se modifican de ninguna otra manera, por lo que se pueden usar para la comunicación estándar de BLE).

La CTE es un tono puro (es decir, no modulado) enviado a la frecuencia portadora de Bluetooth, más 250 kilohercios (kHz) (o, a veces, más 500 kHz cuando se usa el modo de rendimiento superior de Bluetooth de baja energía) para una duración de entre 16 y 160 microsegundos (µs). El tono consiste en una secuencia "no blanqueada" de números ‘1’ transmitida el tiempo suficiente para que el receptor extraiga los datos IQ sin los efectos disruptivos de la modulación. Debido a que la señal de CTE se transmite en último lugar, la CRC (verificación de redundancia cíclica) del paquete no se ve afectada.

La segunda adición significativa a la especificación hace que sea mucho más simple para el desarrollador configurar el protocolo para realizar el muestreo IQ. Esta configuración implica ajustar la sincronización de la muestra y la conmutación de la antena, que son fundamentales para la precisión de la estimación posicional.

Si bien se pueden emplear varias configuraciones de tiempo de muestreo de IQ, normalmente se registra una muestra de IQ cada 1 o 2 µs dentro del período de referencia para cada antena, y los resultados se registran en la RAM (memoria de acceso aleatorio) del SoC (sistema en chip) del Bluetooth de baja energía. Se muestra cómo varía la fase de la señal recibida a medida que es muestreada por diferentes antenas en la matriz (Figura 5).[1]

Gráfico de señal de un solo transmisor muestra una fase diferente al llegarFigura 5: Una señal de un solo transmisor muestra una fase diferente al llegar a las antenas que están a diferentes distancias de la fuente. (Fuente de la imagen: Bluetooth SIG)

Registrar las muestras de IQ es solo el primer paso para crear una aplicación de servicio de ubicación. Para completar la tarea, los desarrolladores deben diseñar o seleccionar las matrices de antenas óptimas para los localizadores y radiofaros utilizados en la aplicación y familiarizarse con los complejos algoritmos necesarios para realizar los cálculos de búsqueda de dirección.

Calcular la dirección de la señal

Las matrices de antenas para la búsqueda de dirección generalmente se dividen en tres tipos de matrices: ULA (matriz lineal uniforme), URA (matriz rectangular uniforme) y UCA (matriz circular uniforme). Como sugieren los nombres, la matriz lineal es unidimensional, mientras que las matrices rectangulares y circulares son bidimensionales. La ULA es la más fácil de diseñar e implementar; sin embargo, su principal desventaja es que solo es capaz de calcular el ángulo de acimut al asumir que el dispositivo rastreado se mueve constantemente en el mismo plano. De lo contrario, la precisión se ve comprometida. Las URA y las UCA pueden medir de manera confiable tanto el acimut como los ángulos de elevación (Figura 6).

Diagrama de las técnicas de búsqueda de dirección de AoA y AoDFigura 6: Las técnicas de búsqueda de dirección de AoA y AoD exigen matrices de antenas; algunas formas comunes son las lineales, rectangulares y circulares. Si bien cada tipo de matriz puede obtener información sobre la elevación y el acimut, los tipos rectangulares y circulares proporcionan datos de acimut más confiables. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Diseñar una matriz de antenas para encontrar direcciones no es un trabajo trivial. Por ejemplo, cuando las antenas se colocan en una matriz, interrumpen la respuesta de las demás mediante el acoplamiento mutuo. Para tener en cuenta estos efectos, los algoritmos de estimación a menudo requieren respuestas de matriz predefinidas. Por ejemplo, un algoritmo comercial popular asume matemáticamente que la matriz está formada por dos submatrices idénticas. Afortunadamente para aquellos que carecen de experiencia en antenas, hay productos comerciales disponibles de matrices de antenas con características definidas.

Una matriz de antenas efectiva asegurará que se obtengan muestras de IQ precisas. Pero los datos en bruto son insuficientes para determinar la dirección de la señal; los datos deben procesarse para tomar en cuenta la recepción de trayectos múltiples, la polarización de la señal y los retrasos de propagación, el ruido y la fluctuación de fase.

Debido a que la búsqueda de dirección de RF no es una disciplina nueva, existen varias técnicas matemáticas establecidas para estimar el ángulo de llegada con base en muestras de IQ obtenidas en aplicaciones del mundo real. La definición del problema, es decir, estimar el ángulo de llegada (el cálculo para el ángulo de salida es similar) de una señal emitida (banda estrecha) que llega a la matriz receptora, es simple; las matemáticas requeridas para resolverlo, no tanto.

En términos básicos, dado un conjunto de datos de muestras IQ para cada antena en la matriz, los algoritmos comerciales primero calculan un vector de datos "x" según la siguiente fórmula (y suponiendo que las señales son señales sinusoidales [de banda estrecha] con desplazamiento de fase y escala):

Ecuación 1 Ecuación 1

"a" es un modelo matemático de la matriz de antenas (el "vector de dirección"),

"s", la señal entrante y "n", ruido.

X se usa para generar la matriz de covarianza de muestra IQ "Rxx" por medio de la fórmula:

Ecuación 2 Ecuación 2

Esta matriz de covarianza de muestra se usa como entrada para el algoritmo del estimador principal. Uno de los algoritmos más populares y probados para la estimación de frecuencia y la búsqueda de la dirección de radio es la MUSIC (clasificación de múltiple señal). En términos técnicos, MUSIC utiliza la descomposición de los vectores propios y los valores propios de la matriz de covarianza para estimar el AoA en función de las propiedades de los subespacios de señal y ruido.

La fórmula empleada es:

Ecuación 3 Ecuación 3

"A" es una matriz diagonal que contiene los valores propios y "V" es una matriz que contiene los vectores propios correspondientes.

Una vez que V está aislado, puede usarse en una fórmula que genera un seudoespectro con un pico que ocurre en el ángulo de llegada de la señal recibida (Ecuación 4):

Ecuación 4 Ecuación 4

Y el espectro resultante toma la forma que se muestra, con el pico en la dirección desde la cual llega la señal transmitida (Figura 7).[2]

Gráfico de El algoritmo MUSIC utiliza muestras de IQ para generar un seudoespectro de potenciaFigura 7: El algoritmo MUSIC utiliza muestras de IQ para generar un seudoespectro de potencia con un pico que identifica la posición del dispositivo de transmisión. Este ejemplo muestra un seudoespectro 2-D, en el que el dispositivo de transmisión se encuentra en un ángulo de acimut de 50 grados y un ángulo de elevación de 45 grados. (Fuente de la imagen: Silicon Labs)

Ejecutar algoritmos de búsqueda de dirección requiere de un proceso computacional intensivo y exige mucha capacidad de RAM y de memoria Flash.

Los productos comerciales Bluetooth 5.1 con los recursos apropiados ya están disponibles. Por ejemplo, Dialog Semiconductorofrece el SoC DA14691 Bluetooth 5 de baja energía para aplicaciones de servicio de ubicación. El chip es accionado por un microprocesadorArm® Cortex®-M33 e incluye 512 kB de memoria RAM. Silicon Labs ha lanzado una pila Bluetooth 5.1 para su sistema en chipEFR32BG13 BLE; el chip utiliza un microprocesador Arm Cortex-M4 con 64 kB de memoria RAM y 512 kB de memoria Flash.

Nordic Semiconductor ha dado un paso más al lanzar el nuevo hardware de "búsqueda de dirección" nRF52811. Este SoC BLE es compatible con Bluetooth 5.1 e integra un microprocesador Arm Cortex M4 junto con la radio multiprotocolo del SoC inalámbrico nRF52840 de alta gama de Nordic. El chip incluye 192 kB de memoria Flash y 24 kB de memoria RAM.

La Parte 2 de este artículo explica cómo usar plataformas de desarrollo basadas en estos SoC y pilas (junto con componentes adicionales que incluyen matrices de antenas, microprocesadores complementarios y memoria asociada, y firmware de "motor de ubicación") para implementar aplicaciones prácticas de servicios de ubicación como el seguimiento de activos e IPS.

Conclusión

La reciente mejora de la especificación Core adoptada en Bluetooth 5.1 facilita el acceso a los datos de IQ. Los datos se pueden usar para alimentar algoritmos de búsqueda de dirección de RF que calculan el AoA o AoD de una transmisión de radio Bluetooth y luego usan esta información para estimar la posición de un transmisor en dos o tres dimensiones.

Pero aunque los algoritmos se pueden usar como la base de aplicaciones prácticas de servicio de ubicación, como el seguimiento de activos y el IPS, su precisión depende de una matriz de antena bien diseñada, un algoritmo comprobado de búsqueda de dirección de RF y suficientes recursos de procesador y memoria para realizar los cálculos complejos.

Como se mostrará en la Parte 2 de esta serie, aunque el desarrollo aún está lejos de ser trivial, la disponibilidad de plataformas de búsqueda de dirección Bluetooth 5.1, matrices de antenas y firmware de motor de ubicación comerciales hacen que sea más simple para los diseñadores comenzar a crear aplicaciones de servicios de ubicación de precisión centimétrica.

Referencias

  1. Búsqueda de dirección Bluetooth: Una descripción técnica, Martin Wooley, Bluetooth SIG, marzo de 2019.
  2. Comprender las técnicas avanzadas de estimación del ángulo de Bluetooth para la ubicación en tiempo real, Sauli Lehtimaki, Silicon Labs, 2018

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