Positionsbestimmung und Entfernungsmessung mit Bluetooth®

Positionsbestimmung und Entfernungsmessung mit Bluetooth®

Funkpeilung und hochgenaue Entfernungsmessungen (HADM)

Bluetooth®-Lokalisierungsdienste

Standortbezogene Dienste und Anwendungen sind in heutigen elektronischen Geräten wie Smartphones, Autos und Wearables alltäglich geworden. Manchmal reichen Satelliten- (GNSS) oder Mobilfunknetze aufgrund unzureichender Abdeckung oder Genauigkeit hierfür nicht aus. Dies gilt insbesondere bei Innenraumanwendungen. Daher ist es üblich, Nahbereichstechnologien wie Wi-Fi, UWB oder Bluetooth® zu verwenden, um in Gebäuden Näherungs-, Secure Ranging-, Tracking- und Navigationsfunktionen zu unterstützen.

Die heutigen Anwendungen für Bluetooth®-Lokalisierungsdienste unterstützen Näherungs- und Entfernungsmessungen, die auf der Verbindungsverfügbarkeit und einer Schätzung des Pfadverlusts basieren. Sie umfassen auch die Peilung durch Schätzung des Einstrahlwinkels (Angle of Arrival, AoA) oder Abstrahlwinkels (Angle of Departure, AoD). Diese Fähigkeiten sollen durch die Einführung einer Phase-Ranging-Technologie namens Bluetooth® Channel Sounding zur Unterstützung von Secure-Ranging-Anwendungen im Zuge der Weiterentwicklung von Bluetooth® LE weiter verbessert werden.

Einige bekannte Anwendungen, die Bluetooth® Location Services nutzen, sind:

  • Warenverfolgung
  • Näherungserkennung
  • Kontaktverfolgung
  • Sichere Zugriffsanwendungen

Bluetooth® Low Energy Näherungs- und Suchdienste

Bluetooth® Low Energy Näherungs- und Suchdienste nutzen den Verbindungsstatusund geschätzten Pfadverlust,um in der Nähe befindliche Bluetooth-Geräte zu identifizieren und die Entfernung zu bestimmen. Dies geschieht anhand eines Indikators für die Empfangsfeldstärke(Received Signal Strength Indicator, RSSI), der die empfängerseitige Signalstärke widerspiegelt, sodass sich die Entfernung zwischen verschiedenen Geräten abschätzen lässt.

RSSI-basierte Ranging-Methoden bieten jedoch nur begrenzte Genauigkeit bei gleichzeitig hoher Unsicherheitaufgrund der Abhängigkeiten vom tatsächlichen Verhalten des Funkkanals. Es musste auch festgestellt werden, dass RSSI-basierte Entfernungsmessungen ohne große Schwierigkeiten manipuliert werden können. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen wie Funkschlüsseln stellt dies ein potenzielles Risiko dar. Die Bluetooth® Special Interest Group (SIG) ist sich dieser Nachteile bewusst und entwickelt die Technologie aktiv weiter, um hochgenaue Entfernungsmessungen(HADM) mit integriertenSicherheitsmerkmalen zu ermöglichen.

Positionsbestimmung und Funkpeilung mit Bluetooth®

In Bluetooth® 5.1 wurde die Peilfunktion Bluetooth® LE Direction Finding definiert, um die Bluetooth® LE Standortdienste zu erweitern. Diese Funktion unterstützt zwei Verfahren zur Richtungsbestimmung eines Bluetooth®-Signals:

  • Schätzung des Einstrahlwinkels (AoA)Ein Bluetooth®-Sender mit einer einzelnen Antenne sendet ein spezielles Funkpeilsignal. Das empfangende Peer-Gerät verwendet ein Antennenarray zur Messung der Phasenverschiebung,um die relative Signalrichtung abzuschätzen. Dieses Verfahren wird häufig für die Warenverfolgungeingesetzt.
  • Schätzung des Abstrahlwinkels (AoD):Ein stationärer Bluetooth®-Sender verwendet ein geschaltetes Antennenarray, um Funkpeilungspaketezu senden. Das Empfangsgerät, das mit einer einzelnen Antenne ausgestattet ist, erfasst die Signale und misst die Phasenunterschiede, um die relative Signalrichtung abzuschätzen. Diese Methode eignet sich für Anwendungen, die präzise Richtungsdatenin dynamischen Szenarienerfordern.

Die Genauigkeit der AoA/AoD-Schätzung für die Peilung hängt stark von den folgenden Faktoren ab:

  • Anzahl der Antennen
  • Stabile Sendeleistung
  • Geringer Frequenzversatz
  • Drift des Peilsignals (LE 1M oder LE 2M) des Sendegeräts
  • Fähigkeit des Empfangsgeräts, I/Q-Daten der empfangenen Signale genau abzutasten

Um eine robuste Performance zu gewährleisten, hat die Bluetooth® SIG verschiedene Testfälle mit zugehörigen Messaufbauten spezifiziert. Die R&S®CMW Wireless-Testplattformunterstützt diese Testfälle mit einer automatisierten Testlösung.

HADM mit Bluetooth® Channel Sounding

Beim Bluetooth® Channel Sounding erfolgt eine phasenbasierte Entfernungsmessung (Phase-based Ranging, PBR), um HADM zwischen zwei Bluetooth® LE-Geräten zu ermöglichen; genauer wird die Phasenverschiebung zwischen den empfangenen und gesendeten Funksignalen verschiedener Kanäle ausgenutzt. Durch die Verwendung von zwei oder mehr Signalen mit unterschiedlichen Frequenzen lässt sich aus der gemessenen Phasendifferenz (Δθ) zwischen diesen Signalen ein präziser Indikator für die Entfernung gewinnen.

  • Ein Gerät fungiert als Initiator und sendet ein Paket mit einer Constant Tone Extension (CTE).
  • Das zweite Gerät dient als Reflektor und antwortet auf das erste Gerät, indem es ein Paket mit derselben Phase wie das empfangene Signal zurücksendet.

Dieser Prozess garantiert eine genaue und zuverlässige Schätzung der Entfernung zwischen den Bluetooth®-Geräten. Zu den typischen HADM-Anwendungen gehören schlüssellose Zugangssysteme, die Navigation im Gebäudeinneren und die Warenverfolgung. Weitere neue Anwendungsfälle sind in Sicht.

So funktioniert Bluetooth Channel Sounding
So funktioniert Bluetooth® Channel Sounding

Die Bluetooth® SIG spezifiziert aktiv Testfälle mit Schwerpunkt auf präziser Messung und stabiler Frequenz- und Phasenerzeugung von Channel Sounding-Signalen. Bei der Nutzung von Antennenbereichen wird in den Testfällen auch die Integrität der Antennenumschaltungadressiert. Angesichts der erheblichen Auswirkungen des Gerätedesigns auf Phasenverschiebungs- und Zeitversatzmessungen eignen sich Over-the-Air-Messungen (OTA) am besten für AoA-, AoD- und Bluetooth® Channel Sounding-Tests.

Testlösungen für Bluetooth® Channel Sounding und Direction Finding

Die Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz bieten umfassende Unterstützung für Bluetooth® BR, EDR und LEin Übereinstimmung mit den neuesten Bluetooth® Core-Spezifikationen. Ein Produkt-Highlight ist die R&S®CMW Wireless-Testplattform, deren besonderes Merkmal die Fähigkeit zu automatisierten Tests von Bluetooth® Channel Sounding und Direction Finding ist. Die Plattform folgt den durch die Bluetooth® SIG spezifizierten Testfällen für diese Funktionalitäten und stellt damit eine einzigartige Lösungauf dem Markt dar. Diese Testplattform bietet auch eine funkbasierte sog. In-Radio-Teststeuerung für DTM-ähnliche Testsvon Bluetooth® LE-Geräten in einem OTA-Messaufbau, wodurch das Testverfahren gestrafft wird.

In alle maßgeblichen Rohde & Schwarz Geräte, darunter die Signalgeneratoren und -analysatoren, sind Bluetooth®-Testfunktionen integriert. Diese Geräte unterstützen nicht nur Bluetooth®, sondern auch andere nicht-zellulare und zellulare Standards und vereinen damit ein breites Spektrum von Testfunktionen in einem einzigen Gehäuse.

Möchten Sie Ihre konkreten Bluetooth®-Testfälle mit unseren Experten besprechen?

Messaufbau zur Verifizierung der Bitübertragungsschicht beim Bluetooth® Low Energy Channel Sounding mit R&S®CMW und R&S®CMWrun
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