Utiliser des plateformes compatibles Bluetooth 5.1 pour le suivi précis des actifs et le positionnement en intérieur - 1re partie

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Note de l'éditeur : la première partie de cette série en deux parties décrit les fonctionnalités de la radiogoniométrie Bluetooth 5.1, un ajout au micrologiciel Bluetooth Low Energy permettant aux concepteurs de développer des applications de localisation basées sur l'angle d'arrivée (AoA) et l'angle de départ (AoD), par exemple pour les systèmes de suivi des actifs et de positionnement en intérieur (IPS). L'article présente ensuite les plateformes appropriées sur lesquelles exécuter ces nouvelles fonctionnalités. La deuxième partie montre comment développer des applications basées sur la radiogoniométrie Bluetooth 5.1 et décrit comment se lancer avec ces plateformes.

La demande liée aux services de localisation augmente : les entreprises de logistique cherchent à améliorer le rendement de la chaîne d'approvisionnement en suivant leurs actifs en temps réel, et d'autres visent une meilleure productivité en surveillant les mouvements du personnel et des clients. L'indicateur de longueur de signal reçu (RSSI) Bluetooth peut servir à estimer la distance par rapport à un point fixe connu, mais cette technique n'est souvent pas assez précise pour des applications comme les systèmes de positionnement en intérieur (IPS) et le suivi des actifs. Cependant, une mise à jour de la spécification Bluetooth offre une voie plus précise.

Plus spécifiquement, la dernière version de la spécification Bluetooth principale (v5.1, présentée comme « radiogoniométrie Bluetooth 5.1») a ajouté des fonctionnalités de radiogoniométrie utilisant l'angle d'arrivée (AoA) et l'angle de départ (AoD) qui facilitent grandement la tâche des développeurs pour déterminer avec précision la position d'un émetteur Bluetooth en deux ou trois dimensions.

Cet article, premier d'une série de deux, décrit l'angle d'arrivée et l'angle de départ, et explique dans quelle mesure les améliorations apportées à la spécification Bluetooth principale permettent d'implémenter plus facilement ces techniques. Il présente ensuite des plateformes viables sur lesquelles implémenter des applications de radiogoniométrie.

Techniques de radiogoniométrie RF

La radiogoniométrie RF (radiofréquence) basée sur RSSI fournit une approximation de distance basée sur l'intensité du signal. Il est possible d'obtenir une plus grande précision en effectuant plusieurs mesures de distance à partir de différents points. L'un des principaux avantages du RSSI est que cette technique nécessite une seule antenne par dispositif, ce qui évite la complexité, les coûts et la taille des réseaux d'antennes. L'inconvénient est le manque de précision : cette technique offre une précision de 3 à 5 mètres (m).

Une deuxième technique courante de radiogoniométrie consiste à utiliser le temps de retour (ToA), qui correspond à la durée du trajet d'un signal radio depuis un émetteur simple vers un récepteur simple distant. Là encore, cette méthode nécessite une seule antenne par dispositif, mais l'inconvénient est que chaque dispositif doit intégrer une horloge synchronisée haute précision. La précision de positionnement des systèmes ToA peut approcher 1 m.

Avec le lancement de la spécification Bluetooth 5.1, le Bluetooth SIG (groupe dédié à l'élaboration des normes Bluetooth) a décidé de prendre en charge une troisième technique de radiogoniométrie basée sur l'angle d'arrivée et l'angle de départ.

Avec l'angle d'arrivée, un dispositif récepteur suit les angles d'arrivée d'objets individuels, tandis qu'avec l'angle de départ, le dispositif récepteur calcule sa propre position dans l'espace en utilisant les angles de plusieurs balises et leurs positions (Figure 1).

Schéma de la méthode AoA (à gauche) et de la méthode AoD (à droite) de radiogoniométrieFigure 1 : Dans la méthode AoA de radiogoniométrie (à gauche), les actifs diffusent (TX) leur position vers un localisateur AoA qui mesure l'angle d'arrivée du signal. Avec la méthode AoD (à droite), des balises transmettent des informations d'angle de départ tandis qu'un dispositif mobile reçoit (RX) ces signaux des balises et calcule la position. Dans chaque cas, c'est le dispositif récepteur qui a besoin de la puissance de calcul pour calculer la direction de l'émetteur. (Source de l'image : Silicon Labs)

La décision d'inclure une fonction de radiogoniométrie dans Bluetooth 5.1 a été prise en partie en raison de l'influence de certaines entreprises audacieuses qui proposaient déjà des solutions propriétaires AoA et AoD pour les produits Bluetooth Low Energy (BLE). Bluetooth 5.1 permet aux développeurs de profiter plus facilement de la radiogoniométrie RF en incluant une mise à jour de la spécification principale afin de faciliter l'extraction des données de signal « IQ » (informations en phase et en quadrature) à partir de paquets BLE. Les développeurs peuvent ainsi plus facilement implémenter des applications de service de localisation.

Par exemple, la méthode AoA convient au suivi d'un émetteur-récepteur BLE qui effectue une transmission. À l'aide d'une seule antenne, l'émetteur-récepteur envoie des paquets radiogoniométriques qui sont reçus par un « localisateur » multi-antennes. Le localisateur échantillonne les données IQ des paquets de signaux tout en permutant entre toutes les antennes actives du réseau. Ce faisant, il détecte la différence de phase du signal due à la différence de distance entre chaque antenne du réseau et la seule antenne émettrice. Le moteur de positionnement utilise ensuite les informations sur la différence de phase pour déterminer l'angle à partir duquel les signaux ont été reçus et donc la direction de l'émetteur (Figure 2).

Schéma de l'angle d'arrivée d'un signal radioFigure 2 : L'angle d'arrivée d'un signal radio peut être calculé si la phase du signal (θ) au niveau de chaque antenne, la longueur d'onde (λ) et la distance (d) entre les antennes adjacentes sont connues. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

La combinaison de la direction du signal calculée par deux localisateurs ou plus permet de localiser un émetteur (Figure 3).

Schéma de l'angle d'arrivée de signaux au niveau de deux localisateurs fixesFigure 3 : En calculant l'angle d'arrivée des signaux au niveau de deux localisateurs fixes, la position de l'actif émetteur en trois dimensions peut être calculée. Si les coordonnées absolues des localisateurs sont connues, les coordonnées absolues de l'actif émetteur peuvent également être calculées. (Source de l'image : Silicon Labs)

La situation est inversée pour la méthode AoD. Dans ce scénario, le dispositif avec le réseau d'antennes envoie un signal via chacune de ses antennes. Chaque paquet de signaux provenant des antennes du réseau parvient à la seule antenne du récepteur, où il est déphasé par rapport au signal précédent en raison de la distance différente qu'il a parcourue depuis l'émetteur (Figure 4).

Schéma des antennes et du récepteur de la méthode AoDFigure 4 : Avec la méthode AoD, chaque paquet de signaux provenant des antennes du réseau parvient à l'antenne simple du récepteur, où il est déphasé par rapport au signal précédent en raison de la distance différente qu'il a parcourue depuis l'émetteur. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

L'antenne du dispositif récepteur prélève des échantillons IQ dans les paquets de signaux et les transmet au moteur de positionnement, qui utilise ensuite ces données pour déterminer l'angle de réception des signaux et donc la direction de l'émetteur. Ce système est adapté aux applications telles que la navigation en intérieur où l'émetteur est un point de référence fixe et où le récepteur est, par exemple, le smartphone d'un consommateur.

Mises à jour vers Bluetooth 5.1

La technologie Bluetooth 5.1 requiert des modifications du protocole logiciel RF (ou « pile »). Selon le fabricant de la puce, elle peut également nécessiter quelques améliorations matérielles (radio). Premièrement, le protocole révisé ajoute une extension de tonalité continue (CTE) à tout paquet Bluetooth utilisé pour la radiogoniométrie. (Hormis cela, les paquets ne sont pas modifiés et peuvent donc être utilisés pour la communication BLE standard.)

L'extension CTE est une tonalité pure (c'est-à-dire non modulée) envoyée à la fréquence porteuse Bluetooth plus 250 kilohertz (kHz) (ou parfois plus 500 kHz avec le mode de débit plus élevé de BLE) pendant une durée comprise entre 16 et 160 microsecondes (µs). La tonalité consiste en une séquence « non blanchie » de « 1 » émise suffisamment longtemps pour que le récepteur puisse extraire les données IQ sans les effets perturbateurs de la modulation. Comme le signal CTE est émis en dernier, le contrôle par redondance cyclique (CRC) du paquet n'est pas affecté.

Le deuxième ajout important à la spécification permet au développeur de configurer beaucoup plus facilement le protocole afin de réaliser l'échantillonnage IQ. Cette configuration inclut le paramétrage à la fois de la temporisation des échantillons et de la commutation d'antenne, qui sont essentielles à la précision de l'estimation de la position.

Bien que diverses configurations de temporisation d'échantillonnage IQ peuvent être utilisées, un échantillon IQ est généralement enregistré toutes les 1 ou 2 µs pendant la période de référence pour chaque antenne, et les résultats sont enregistrés dans la mémoire vive (RAM) du système sur puce BLE. La variation de la phase du signal reçu au cours de son échantillonnage par les différentes antennes du réseau est illustrée à la Figure 5.[1]

Schéma du signal d'un émetteur simple présentant une phase différente à l'arrivéeFigure 5 : Un signal provenant d'un émetteur simple présente une phase différente à son arrivée au niveau des antennes situées à des distances différentes de la source. (Source de l'image : Bluetooth SIG)

L'enregistrement des échantillons IQ n'est que la première étape de la création d'une application de service de localisation. Pour mener à bien cette tâche, les développeurs doivent concevoir ou sélectionner les meilleurs réseaux d'antennes pour les localisateurs et les balises utilisés dans l'application, puis se familiariser avec les algorithmes complexes nécessaires à la réalisation des calculs radiogoniométriques.

Calcul de la direction du signal

Les réseaux d'antennes pour la radiogoniométrie sont généralement divisés en trois types : réseaux linéaires uniformes (ULA), réseaux rectangulaires uniformes (URA) et réseaux circulaires uniformes (UCA). Comme les noms l'indiquent, le réseau linéaire est unidimensionnel, tandis que les réseaux rectangulaires et circulaires sont bidimensionnels. Le réseau ULA est le plus facile à concevoir et à implémenter, mais il peut calculer un angle d'azimut uniquement en supposant que le dispositif suivi se déplace constamment dans le même plan. Si ce n'est pas le cas, la précision est compromise. Les réseaux URA et UCA permettent de mesurer de manière fiable les angles d'azimut et d'élévation (Figure 6).

Schéma des techniques de radiogoniométrie AoA et AoDFigure 6 : Les techniques de radiogoniométrie AoA et AoD requièrent des réseaux d'antennes dont les formes courantes sont linéaires, rectangulaires ou circulaires. Bien que chaque type de réseau puisse obtenir des informations sur l'élévation et l'azimut, les types rectangulaires et circulaires fournissent des données d'azimut plus fiables. (Source de l'image : Silicon Labs)

La conception d'un réseau d'antennes pour la radiogoniométrie n'est pas simple. Par exemple, lorsque les antennes sont placées au sein d'un réseau, elles perturbent la réponse des autres en raison d'un couplage mutuel. Pour prendre en compte de tels effets, les algorithmes d'estimation nécessitent souvent des réponses de réseau prédéfinies. Par exemple, un algorithme commercial populaire suppose mathématiquement que le réseau est composé de deux sous-réseaux identiques. Heureusement, pour ceux qui n'ont pas beaucoup de connaissances en matière d'antennes, il existe des réseaux d'antennes commerciaux aux caractéristiques définies.

Un réseau d'antennes efficace garantit la collecte d'échantillons IQ précis. Cependant, les données brutes ne sont pas suffisantes pour déterminer la direction du signal. Les données doivent être traitées pour tenir compte de la réception à trajets multiples, de la polarisation du signal et des délais de propagation, du bruit et de la gigue.

La radiogoniométrie RF n'étant pas une discipline nouvelle, il existe plusieurs techniques mathématiques éprouvées pour estimer l'angle d'arrivée en fonction des échantillons IQ obtenus dans des applications réelles. La définition du problème, c'est-à-dire l'estimation de l'angle d'arrivée (le calcul de l'angle de départ est similaire) d'un signal émis (bande étroite) parvenant au réseau de réception, est simple, contrairement aux calculs nécessaires pour le résoudre.

En résumé, avec un ensemble de données d'échantillons IQ pour chaque antenne du réseau, les algorithmes commerciaux calculent d'abord un vecteur de données « x » basé sur la formule suivante (en supposant que les signaux sont des signaux sinusoïdaux (à bande étroite) déphasés et mis à l'échelle) :

Équation 1 Équation 1

Où « a » est un modèle mathématique du réseau d'antennes (le « vecteur de direction »),

« s » est le signal entrant et « n » est un terme de bruit.

X est ensuite utilisé pour générer la matrice de covariance des échantillons IQ « Rxx » à l'aide de la formule :

Équation 2 Équation 2

Cette matrice de covariance des échantillons est ensuite utilisée comme entrée pour l'algorithme de l'estimateur principal. L'un des algorithmes les plus populaires et reconnus pour l'estimation de la fréquence et la radiogoniométrie est MUSIC (MUltiple SIgnal Classification). En termes techniques, MUSIC utilise la décomposition en vecteurs propres et les valeurs propres de la matrice de covariance pour estimer l'angle d'arrivée en fonction des propriétés des sous-espaces du signal et du bruit.

La formule utilisée est la suivante :

Équation 3 Équation 3

Où « A » est une matrice diagonale contenant les valeurs propres et « V » est une matrice contenant les vecteurs propres correspondants.

Une fois que V est isolé, il peut être utilisé dans une formule qui génère un pseudo-spectre avec une crête au niveau de l'angle d'arrivée du signal reçu (Équation 4) :

Équation 4 Équation 4

Le spectre résultant prend alors la forme illustrée ici, avec la crête dans la direction d'où provient le signal émis (Figure 7).[2]

Graphique de l'algorithme MUSIC utilisant des échantillons IQ pour générer un pseudo-spectre de puissanceFigure 7 : L'algorithme MUSIC utilise des échantillons IQ pour générer un pseudo-spectre de puissance avec une crête identifiant la position du dispositif émetteur. Cet exemple montre un pseudo-spectre 2D, où le dispositif émetteur est situé à un angle d'azimut de 50 degrés et à un angle d'élévation de 45 degrés. (Source de l'image : Silicon Labs)

L'exécution d'algorithmes de radiogoniométrie requiert beaucoup de calculs et exige une grande quantité de mémoire RAM et de mémoire Flash.

Il existe déjà des produits commerciaux Bluetooth 5.1 avec les ressources appropriées. Par exemple, Dialog Semiconductor propose le système sur puce Bluetooth 5 LE DA14691 pour les applications de service de localisation. La puce est alimentée par un microprocesseur Arm® Cortex®-M33 et inclut 512 Ko de RAM. Silicon Labs a lancé une pile Bluetooth 5.1 pour son système sur puce BLE EFR32BG13. La puce utilise un microprocesseur Arm Cortex-M4 avec 64 Ko de RAM et 512 Ko de Flash.

Nordic Semiconductor a franchi une étape supplémentaire en lançant un nouvel outil matériel de radiogoniométrie, sous la forme du nRF52811. Ce système sur puce BLE est compatible Bluetooth 5.1 et intègre un microprocesseur Arm Cortex-M4 associé à la technologie radio multiprotocole du système sur puce sans fil haut de gamme nRF52840 de Nordic. La puce inclut 192 Ko de Flash et 24 Ko de RAM.

La deuxième partie de cet article explique comment utiliser les plateformes de développement basées sur ces systèmes sur puce et ces piles (et sur des composants supplémentaires, notamment des réseaux d'antennes, des microprocesseurs auxiliaires et la mémoire associée, ainsi qu'un micrologiciel de « moteur de localisation ») pour implémenter des applications pratiques de services de localisation, comme le suivi des actifs et les systèmes de positionnement en intérieur.

Conclusion

L'amélioration récente de la spécification principale adoptée dans Bluetooth 5.1 facilite l'accès aux données IQ. Les données peuvent être utilisées pour alimenter des algorithmes de radiogoniométrie RF qui calculent l'angle d'arrivée ou l'angle de départ d'une transmission radio Bluetooth, puis utilisent ces informations pour estimer la position d'un émetteur dans un plan en deux ou trois dimensions.

Cependant, bien que les algorithmes puissent servir de base pour les applications pratiques de service de localisation comme le suivi des actifs et les systèmes de positionnement en intérieur, leur précision dépend d'un réseau d'antennes bien conçu, d'un algorithme de radiogoniométrie RF éprouvé et de ressources de processeur et de mémoire suffisantes pour effectuer les calculs complexes nécessaires.

Comme l'explique la deuxième partie de cette série, bien que le développement soit encore loin d'être anodin, la disponibilité de plateformes de radiogoniométrie Bluetooth 5.1, de réseaux d'antennes et de micrologiciels de moteur de localisation commerciaux simplifie la création d'applications de services de localisation offrant une précision au centimètre.

Références

  1. Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, mars 2019.
  2. Understanding Advanced Bluetooth Angle Estimation Techniques for Real-Time Locationing, Sauli Lehtimaki, Silicon Labs, 2018

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À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key