Bluetooth 5.1 AoA位置サービスの実現理論
Arrived of Angle(AoA)テクノロジーは、 Bluetooth 5.1コア仕様以降、Bluetooth Direction の目的でBLE に導入されました。現在、Bluetooth 5.1 AoA は、屋内測位とキーレスエントリーの2 つの分野で広く使用されています。ここで、AoA の仕組みと、それが Bluetooth 5.1 AoA テクノロジーを使用した屋内測位にどのように適用されるかを説明します。 1. 屋内測位技術の概要 屋内測位には、UWB、Wi-Fi 、BLEビーコン/ BLE AoAの 4 つのソリューションがあります。精度範囲については、UWB は 0.1 m ～ 1 m、UWB は 0.1 m ～ 1 m、Wi-Fi および BLE ビーコンは 5 m ～ 20 m で、誤差範囲はさらに大きくなります。初の商用 BLE AoA 測位サービス会社として、Quuppa は 0.1 m ～ 1 m 以内の精度範囲を制御できます (TI CC254x および Nordic nRF5281x チップを使用)。 以下はQuuppaのテストデータです。 2. 屋内測位理論の分析 どのような測位方法であっても、屋内測位システムは実際のシーンの建築モデリングを描画し、受信ルーターを屋内エリアに配置し、モデリング マップ上で対応する位置をマークする必要があります。携帯電話またはビーコン モジュールは無線信号をブロードキャストします。固定位置に設置された受信ルータは、無線信号を受信した後、ビーコンの位置エリア範囲を確認できます。 位置エリアの範囲を確認した上で、複数のアンテナでビーコン信号の到来角度を測定できます。三角測量測位と組み合わせることで、ビーコン装置の正確な位置を計算できます。 三角測量 三角測量は、2 セットの AoA データを通じてビーコン デバイスの位置を測定することです。以下の図に示すように、2 セットのアンテナで 1 つの AoA データを測定でき、2 つの AoA データでデバイス A の位置を測定できます。 d と D は両方とも既知のパラメーターであり、どのようにして θ1 と θ2 を取得できるかがわかります。 3. AoA測定理論 周波数: Bluetooth は、帯域幅 2 MHzの2.40 GHz～2.41 GHzの ISM (産業科学および医療) 帯域で動作します。Bluetooth は、3 つのブロードキャスト チャネル 37、38、および 39 に分割されています。Bluetooth v5.x コア仕様では、Bluetooth LE の拡張ブロードキャストは、0 ～ 39 の任意のチャネル、つまり Bluetooth v5.1 ビーコンでブロードキャストできます。任意の Bluetooth チャンネルで動作します。(Bluetooth が動作しているとき、Bluetooth の周波数は不安定であり、Bluetooth の波長 λ に影響します。) 位相: 無線信号は空中で連続しています。RX 受信機は、周波数範囲内で 0 ～ 2 π の波周期全体の信号を受信して復調します。 AoA の計算: オープンエリアで固定周波数の Bluetooth ビーコン信号ブロードキャストがあると仮定します (空中の障害物やその他の 2.4 GHz 信号干渉は無視します)。2 つの受信機が同じ半径上にあり、同じ TX 端にある場合、ある時点 t において、RX 受信機が受信する位相差は 0 になるはずです。しかし、受信機が一貫性のない半径の位置にある場合は、ある時点で、RX 受信機が受信する位相差は 0 になるはずです。時間 t では、RX 受信機の位相に差が生じます。 上の図がわかりにくい場合は、次の図に変更して概略を示しましょう。信号送信の過程では、アンテナの位置が異なるため、ある時刻 t でサンプリングされた信号の位相が異なります。 ヒント: 原理的には、位相差は 2 つのアンテナで計算でき、マルチアンテナ アレイは耐干渉性能の向上に役立ちます。 ２つのアンテナの距離ｄとビーコン信号の周波数（波長）がわかれば、ビーコン信号とアンテナ１、アンテナ２との位相差θを計算することができる。異なる位置で 2 組の θ を計算した後、ビーコン信号の位置を計算できます。 AoA 測定エラー 2次元平面を例にとると、αの角度は2つあります。そして実際の三次元座標では半径αの円の軌跡が存在することになります。AoA 受信機は、ビーコン信号が円の軌道上にあることだけを知っていますが、ビーコン信号が円上のどこにあるかを判断することはできません。このとき、ビーコンポイントの位置座標を確認するために直交アンテナアレイが必要となる。 アンテナ アレイはさまざまな方法で配置できます。1 つの使命は測位であり、もう 1 つの使命は受信機の展開数を最小限に抑えることです。一般的なアンテナ アレイの配置を以下に示します。 アンテナアレイの例 TI EVM アンテナ アレイ Quuppa受信機アンテナアレイ 4. Bluetooth 5.1 AoA ソフトウェアの導入 SIG は、Bluetooth 5.1 コア仕様の論理リンク層で AoA プロトコルに対応する仕様を作成しました。 AoA / AoD は 1M または 2M の通常の PHY (コーディング PHY はサポートされていません) で動作し、ブロードキャスト モードと接続モードをサポートできます。データ送信フォーマットには次の要件があります。PDU データ パケットでは、AoA/AoD 仕様が標準化されています。CTE は AoA / AoD データパケットの拡張データであり、継続時間は 16 μs ～ 160 μs です。250 kHz の信号変調は、白色化と CRC 検証なしで搬送波上にあります。この信号は、受信機 RX によって時間 t での信号 I/Q 値をサンプリングし、位相差を計算するために使用されます。 5. AoA 設計の課題 5.1 信号の反射干渉 上記の説明は、オープン環境で他の信号干渉がない理想的な条件下での話です。実際のシーンでは、受信機 RX は自身または他の AoA 信号およびビーコン信号の反射信号を受信します。反射信号には CTE 拡張データ パケットも含まれていますが、これらは除去する必要があるノイズ信号です。 5.2 スイッチング時間の補償 RF コアは複数の RF アンテナを制御します。RF スイッチのスイッチング時間は、空中での信号伝送時間を除いて補償する必要があります。 5.3 角度値のエラー 測定には誤差が必ずあり、誤差の範囲は通常 3% ～ 5% です。誤差を減らすアルゴリズムが必要です。 6. Bluetooth AoA関連製品 車載用 BLE5.0 CC2640R2F-Q1 モジュール RF-BM-4077B2 TI CC2640 チップを搭載した Bluetooth 5.0 Low Energy モジュール RF-BM-4077B1 Bluetooth 5.0 低エネ...
