RUTRONIK GmbH
Avtorja:Chetan Joshi, vodja produktnega menedžmenta pri Panasonic Industry Europe GmbH
in Torsten Killinger, korporativni produktni menedžer za brezžične tehnologije pri Rutronik
Bluetooth 6.0 uvaja Channel Sounding. Ta tehnologija omogoča natančno merjenje razdalje z Bluetooth Low Energy, kar odpira nove možnosti za pozicioniranje, varnost in interakcijo – celo na področjih, kjer je prej prevladoval ultraširokopasovni signal.
Channel Sounding razširja BLE
Lokalizacija naprav je postala nepogrešljiva v mnogih aplikacijah. GPS in mobilna omrežja zagotavljajo natančne podatke na prostem, vendar niso zadostni v zaprtih prostorih ali kadar so potrebni podatki z natančnostjo pod enim metrom. Natančnost je mogoče izboljšati s pomočjo mobilnih omrežij, vendar so zaradi dodatnih stroškov in porabe takšne rešitve nepraktične. Vedno več aplikacij se zdaj osredotoča na naprave kratkega dosega, tj. sledenje objektov v lokalnih omrežjih na kratkih razdaljah za ustvarjanje lokalnih podatkov o položaju. Prav tu se različne standarde in lastniške tehnologije trudijo uveljaviti. Na tej točki pride v igro Bluetooth s Channel Sounding.
Bluetooth je uveljavljena tehnologija, integrirana v številna področja sodobnega življenja. Bluetooth Low Energy (BLE) že leta služi kot gonilna sila komunikacij kratkega dosega in podpira energetsko učinkovit prenos podatkov med bilijoni naprav. Od uvedbe so rešitve za lokalizacijo BLE uporabljale indikator moči sprejetega signala (RSSI) za oceno razdalj med napravami. RSSI je primeren za grobo zaznavanje bližine, na primer za ugotavljanje, ali je naprava v bližini. Vendar ni primeren za natančnejše meritve. Okoljske spremenljivke, motnje in odboji po več poteh naredijo RSSI za nezanesljivo merilo razdalje. Podjetja, ki so prispevala k Bluetooth Real-Time Location Services (RTLS), so to zgodaj prepoznala, kar je pripeljalo do uvedbe funkcije »Direction Finding« (DF) v Bluetooth 5.0. Danes služi kot hrbtenica za številne pametne sisteme RTLS, ki temeljijo na Bluetooth. Zaradi omejitev pristopov, ki temeljijo na RSSI, je Bluetooth neprimeren za industrijske aplikacije RTLS. Do sedaj so pri teh aplikacijah prevladovale rešitve posebnega ultraširokopasovnega (UWB) signala. Čeprav UWB sistemi zagotavljajo podatke o razdalji v centimetrskem obsegu, zahtevajo večji razvojni napor na področju RF in se soočajo z dodatnimi regulativnimi zahtevami. Za mnoge aplikacije, kjer je dovolj natančnost pod enim metrom, so sistemi UWB preveč zapleteni ali predragi. Channel Sounding v Bluetooth 6.0 zapolnjuje to vrzel. Zagotavlja ustrezno natančnost za številne aplikacije brez obsežnega integracijskega napora, ki ga zahteva UWB.
Channel Sounding na podlagi BLE omogoča zanesljivo in natančno merjenje razdalje s stroškovno učinkovito in enostavno razvito strojno opremo. Medtem ko so prejšnje generacije Bluetooth uporabljale vrednosti RSSI za grobo oceno razdalje med dvema napravama, Channel Sounding zdaj omogoča neposredno karakterizacijo radijskega kanala.
Kako deluje Channel Sounding?
Channel Sounding v osnovi temelji na času in fazi. Meritve na podlagi faze (PBR) in časa povratka (RTT) se lahko uporabijo za določitev natančnih razdalj med dvema napravama. Pri PBR naprave izmenjujejo signale prek več frekvenc in primerjajo nastale fazne premike. To omogoča natančen izračun razdalje (slika 1). RTT deluje podobno kot radar: naprava pošlje paket, prejemnik odgovori, razlika v času povratka pa da razdaljo (slika 2). S kombinacijo obeh metod Bluetooth doseže raven natančnosti, ki je bila z RSSI nedosegljiva. Odločilni dejavnik pri tem ni le natančnost, ampak tudi dejstvo, da ta nadaljnji razvoj temelji na isti tehnologiji BLE, ki je postala temelj interneta stvari (IoT).
Čeprav PBR in RTT delujeta zanesljivo v večini realnih scenarijev, potrebujeta dodatno podporo za ublažitev učinkov, kot so širjenje po več poteh, motnje ali napadi, na primer relejski napadi. Bluetooth 6.0 zato vključuje dodatne varnostne mehanizme, ki dopolnjujejo Channel Sounding. Signali se lahko naključno razporedijo, šifrirajo in preverijo, da se zagotovi, da določene razdalje niso manipulirane. Poleg tega lahko naprave uporabljajo več anten, da zmanjšajo napake, ki jih povzročajo odboji, s prostorsko raznolikostjo. Ta kombinacija merjenja časa, primerjave faz in kriptografske zaščite naredi Channel Sounding praktično orodje za realne aplikacije.
Strojna oprema za Channel Sounding
Eden od primerov implementacije je nova družina modulov PAN-B611 podjetja Panasonic. Zagotavlja funkcionalnost Channel Sounding v kompaktnem, vnaprej certificiranem ohišju. Temelji na nRF54L15 od Nordic Semiconductor, enem od prvih Bluetooth SoC, ki podpira natančno merjenje razdalj in kotov. Čip vključuje radijski podsistem za analizo faz in povratnih poti, zmogljiv procesor Cortex-M33 in mehanizme kriptografske zaščite. Ločen koprocesor RISC-V prevzame časovno kritične naloge. Poleg merjenja razdalje podpora za več anten omogoča tudi pozicioniranje na podlagi kota in s tem podrobnejše zaznavanje v dveh in treh dimenzijah. PAN-B611 ima vse priključke nRF54L15 na hibridni površini z obrobljenimi robovi in LGA blazinicami. Modul meri le 10,35 x 9,6 x 1,9 mm in je primeren za zasnove z omejenim prostorom. Različice z integriranimi čip antenami so primerne za kompaktne konstrukcije, medtem ko modeli z zunanjimi antenami omogočajo tudi konfiguracije z večjim številom anten. Vsi priključki nRF54L15 so usmerjeni na module PAN-B611-1x, da se na primer PAN-B611-1B lahko uporabi za konfiguracijo Channel Sounding z več antenami, kjer antensko stikalo upravlja z do štirimi GPIO-ji. V mnogih aplikacijah pa je za grobo oceno razdalje dovolj uporaba integrirane antene v PAN-B611-1C. S tem se odpravlja potreba po prilagoditvah antene po meri stranke ali dodatnih odobritvah in skrajšajo se razvojni cikli.
Za aplikacije, ki zahtevajo veliko pomnilnika, Panasonic ponuja družino modulov PAN-B611 z izbirnim in kompaktnim 4 MB čipom Flash pomnilnika, ne da bi spremenil obliko. Dodatni pomnilnik omogoča shranjevanje merilnih podatkov za nadaljnjo obdelavo, npr. za kriptografske procese ali algoritme strojnega učenja na robni napravi. To pomaga tudi pri izvajanju rutinskih postopkov, ki niso časovno kritični, neposredno iz pomnilnika (izvajanje na mestu, XiP), kot tudi pri upravljanju večjih paketov strojne programske opreme in posodobitvah prek zraka (OTA). Slika 3 prikazuje modul PAN-B611 z integrirano anteno.
Modularni pristop olajšuje integracijo v obstoječe zasnove in skrajša čas razvoja. Razvijalci se lahko osredotočijo na logiko aplikacije, medtem ko se certifikacija in zasnova RF obravnavata na ravni modula.
Od sledenja sredstev do razširjene resničnosti (AR)
Informacije o lokaciji ustvarjajo dodano vrednost na mnogih področjih življenja. Možne aplikacije so prav tako raznolike. V zdravstvu ali logistiki lahko stroškovno učinkovita natančnost pod metrom znatno pripomore k povečanju učinkovitosti. Naprave je mogoče takoj najti, zaloge samodejno prilagoditi in procese optimizirati brez človeških napak. V potrošniških aplikacijah bodo pametni telefoni s Channel Sounding v prihodnosti lahko varneje komunicirali s pametnimi ključavnicami ali vozili, saj bo preverjena dejanska fizična bližina. V sistemih AR in VR natančno pozicioniranje izboljša sinhronizacijo med digitalnim in fizičnim okoljem. Scenariji, ki temeljijo na natančnih podatkih o lokaciji vsakega člana družine, se lahko uporabijo tudi v pametnih domovih, na primer za nadzor osvetlitve in klimatizacije v posameznih sobah.
Eden od možnih primerov je pametna ključavnica, ki uporablja Channel Sounding za preverjanje razdalje in hkrati podpira protokol pametnega doma, kot je Matter. To omogoča preverjanje dejanske bližine ključa Bluetooth ali pametnega telefona, hkrati pa omogoča integracijo v interoperabilen pametni dom. Izbirni 4 MB Flash pomnilnik PAN-B611 ponuja dovolj prostora za večje pakete firmware z protokolnimi skladi, kriptografskimi knjižnicami in funkcijami OTA.
Povzetek
Channel Sounding je opcijska funkcija Bluetooth 6.0, vendar bo glede na naraščajočo priljubljenost novih naprav verjetno postala standardna. Označuje prehod od verjetnostnega k determinističnemu merjenju razdalje in Bluetooth dvigne na povsem novo raven: od preprostega komunikacijskega vmesnika do platforme za prostorsko zaznavanje.
