There are four solutions for indoor positioning: UWB, Wi-Fi, BLE beacon / BLE AoA. For the accuracy range, UWB is 0.1 m ~ 1 m; Wi-Fi and BLE beacon is 5 m ~ 20 m with a larger error range. As the first commercial BLE AoA positioning service company, Quuppa can control the accuracy range within 0.1 m ~ 1 m (with the TI CC254x and Nordic nRF5281x chips).

2. Analysis of Indoor Positioning Theory

No matter what kind of positioning method, the indoor positioning system needs to draw the architectural modeling of the actual scene, deploy the receiver router in the indoor area, and mark the corresponding location on the modeling map. The mobile phone or the beacon module broadcast wireless signals. The receiver router deployed in a fixed position can confirm the location area range of the beacon after received the wireless signals.

The arrival angle of the beacon signal can be measured by multiple antennas after confirmed the location area range. Combined with triangulation positioning, the accurate position of beacon equipment can be calculated.

Triangulation

Triangulation is to measure the position of the beacon device through two sets of AoA data. As shown in the figure below, two sets of antennas can measure one AoA data, and two AoA data can measure the position of device A. Both d and D are known parameters, how we can get θ1 and θ2.

3. AoA Measurement Theory

• Frequency: Bluetooth operates in the ISM (Industrial Scientific and Medical) band from 2.40 GHz to 2.41 GHz with a bandwidth of 2 MHz. Bluetooth is divided into three broadcast channels 37, 38, and 39. In the Bluetooth v5.x core specification, the extended broadcast of the Bluetooth LE can be broadcasted in any channel from 0 to 39, that is, the Bluetooth v5.1 beacon can work on any Bluetooth channel. (The frequency of Bluetooth is inconsistent when it is working, which will affect the Bluetooth wavelength λ.)

• AoA calculation: Supposing that there is a fixed-frequency Bluetooth beacon signal broadcasting in an open area (ignoring obstacles and other 2.4 GHz signal interference in the air). If the two receivers are on the same radius and at the same TX end, at a certain time t, the phase difference received by the RX receiver should be 0. But if the receiver is in a position with an inconsistent radius, at a certain time t, there is a difference in the phase of the RX receiver.

If the above diagrams are not easy to understand, let's change to the following diagrams to show the schematic. In the process of signal transmission, due to different antenna positions, the phase of the signal sampled at a certain time t is different.

Tips: In principle, the phase difference can be calculated with two antennas, and a multi-antenna array can help improve the anti-interference performance.

• AoA Measurement Error

En prenant un plan bidimensionnel comme exemple, il y aura deux angles de α. Et en coordonnées tridimensionnelles réelles, il y aura une trajectoire d'un cercle avec un rayon de α. Le récepteur AoA sait seulement que le signal de balise est sur la trajectoire du cercle, cependant, il ne peut pas juger où ils se trouvent sur le cercle. À ce moment, un réseau d'antennes orthogonales est nécessaire pour confirmer les coordonnées de position du point de balise.

Les réseaux d'antennes peuvent être agencés de différentes manières. Une mission est le positionnement, et l'autre mission est de minimiser le nombre de déploiements de récepteurs. Les déploiements courants de réseaux d'antennes sont illustrés ci-dessous.

Exemple de réseau d'antennes

• Réseau d'antennes de récepteur Quuppa

4. Déploiement du logiciel Bluetooth 5.1 AoA

Le SIG a établi des spécifications correspondantes pour le protocole AoA dans la couche de liaison logique dans la spécification de base Bluetooth 5.1.

AoA / AoD peut fonctionner sous 1M ou 2M PHY régulier (le codage PHY n'est pas pris en charge) et peut prendre en charge le mode de diffusion et le mode de connexion. Le format de transmission de données a les exigences suivantes : dans le paquet de données PDU, la spécification AoA/AoD est normalisée. CTE est les données étendues du paquet de données AoA / AoD, et la durée est de 16 μs - 160 μs. La modulation du signal 250 kHz est sur l'onde porteuse sans blanchiment ni validation CRC. Le signal est utilisé par le récepteur RX pour échantillonner la valeur I/Q du signal à l'instant t et calculer la différence de phase.

5. Défis de conception AoA

5.1 Interférence de réflexion de signal

5.2 Compensation du temps de commutation

5.3 Erreur de valeur d'angle

Il doit y avoir une erreur dans la mesure et la plage d'erreur est généralement de 3 % à 5 %. Il a besoin d'un algorithme pour réduire l'erreur.

6. Produits Bluetooth AoA associés

• Module BLE5.0 CC2640R2F-Q1 pour automobile RF-BM-4077B2
• Modules Bluetooth 5.0 Low Energy avec puce TI CC2640 RF-BM-4077B1
• Module basse consommation Bluetooth 5.0 CC2640R2FRSM RF-BM-4044B5

7. Fournisseur de puces AoA

AoA de Texas Instruments

AoA de Silicon Labs

Dialogue AoA

AoA nordique