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Fortschritte bei Indoor-Ortungssystemen

Redakteur: Margit Kuther

Gängige Navigationssysteme basieren auf GPS, das funktioniert im Freien. Aber in Gebäuden eignet sich GPS nur bedingt. Wir vergleichen mehrere Möglichkeiten zur Realisierung von Indoor-Ortungssystemen.

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Bild 1: x ist die Phasendifferenz zwischen den an Antenne 1 und an Antenne 2 ankommenden Signalen. Bei konstanter Wellenlänge lässt sich x vom System einfach berechnen, und mit x und d kann schließlich der Auftreffwinkel θ errechnet werden.
Bild 1: x ist die Phasendifferenz zwischen den an Antenne 1 und an Antenne 2 ankommenden Signalen. Bei konstanter Wellenlänge lässt sich x vom System einfach berechnen, und mit x und d kann schließlich der Auftreffwinkel θ errechnet werden.
(Bild: Future Electronics)

Prognosen besagen, dass Indoor-Ortungsdienste in den kommenden Jahren durch die Einführung in neue vertikale Märkte ein exponentielles Wachstum verzeichnen werden. Von Social-Distancing-Lösungen für COVID-19 und dem Verfolgen einzelner Arbeitskräfte bis zum Asset Tracking und zur Effizienzverbesserung von Fabriken, sind Ortungsdienste möglicherweise die nächste große Mehrwerttechnologie für viele Anwendungsgebiete. Erreicht wird dies mithilfe von wichtigen Entwicklungen, die alle zu einem Wendepunkt hinführen:

  • Indoor-Ortungsdienste auf Mobiltelefonen,
  • Einführung schlüsselloser Zugangssysteme für Fahrzeuge,
  • Verbesserungen an sicheren kontaktlosen Bezahlsystemen,
  • Einführung von Bluetooth 5.1.

Wie bei der Einführung aller neuen Technologien, so gilt auch hier, dass die Vorteile des Vorreiters durch die Kosten und die Komplexität aufgewogen werden, die sich durch die Integration in ein neues Ökosystem ergeben. Die Wahl des richtigen Einstiegszeitpunkts ist entscheidend, wenn sich die Investitionen bezahlt machen sollen. Bei der Untersuchung des Ökosystems kann der Verlauf der Kosten- und der Komplexitätskurve mit hinreichender Sicherheit vorhergesagt werden, jedoch ist der Nutzen für den Endanwender der entscheidendste Faktor dafür, wie groß die Vorteile für den Vorreiter ausfallen.

Ultra-Wide-Band (UWB) und Bluetooth gelten als die vielversprechendsten Technologien für Indoor-Ortungslösungen. Da sich beide Ökosysteme gerade rapide weiterzuentwickeln beginnen, sollen hier beide Techniken vorgestellt werden, ergänzt durch eine Beschreibung des aktuellen Entwicklungsstands.

Techniken zur Entfernungs- und Winkelmessung

Für die Realisierung von Ortungssystemen kommt eine ganze Reihe von Techniken in Frage. Bluetooth basiert in der Regel auf der Stärke des empfangenen Signals, während bei UWB die Time-of-Flight-Technik (Laufzeitmessung) zum Bestimmen der Entfernung herangezogen wird. Die Ermittlung der Phasendifferenz zwischen ankommenden Signalen mithilfe mehrerer Antennen ist eine häufig genutzte Technik, um den Auftreffwinkel eines ankommenden Signals zu bestimmen.

Infolge der unterschiedlichen Entfernungen der einzelnen Empfangsantennen von der Sendeantenne weisen die an den Antennen ankommenden Signale eine Phasendifferenz auf. Der Empfänger nimmt IQ-Signalproben und schaltet dabei zwischen den verschiedenen Antennen um, um diese Phasendifferenz zu berechnen und daraus die relative Signalrichtung herzuleiten.

In Bild 1 bezeichnet x die Phasendifferenz zwischen den an Antenne 1 und an Antenne 2 ankommenden Signalen. Bei konstanter Wellenlänge lässt sich x vom System einfach berechnen, und mit x und d kann schließlich der Auftreffwinkel (θ) errechnet werden.

Ortung auf Basis von Ultra-Wide-Band (UWB)

Für dieses Jahr ist die Ratifizierung eines neuen Standards auf Basis von UWB Impulse Radio (802.15.4z) zu erwarten. Dieser soll die Entfernungsmessgenauigkeit, die Sicherheit und die Interoperabilität verbessern und gleichzeitig mit weniger Sendevorgängen auskommen, was den Leistungsverbrauch senkt und die Kanalkapazität erhöht. Zusätzlich zu den Aktivitäten der für die Entwicklung dieses Standards zuständigen IEEE-Arbeitsgruppe wurde das FiRa-Konsortium (Fine Ranging) ins Leben gerufen, um Zertifizierungen zu entwickeln und Interoperabilität zu ermöglichen.

Das Mandat des FiRa-Konsortiums besteht darin, die Verbreitung der UWB-Technik in vertikalen Marktsegmenten voranzubringen und UWB bei Regierungen, Herstellern und Einzelpersonen auf der ganzen Welt als Marke bekannt zu machen. Das FiRa-Konsortium wird dazu mit verwandten Branchenorganisationen wie dem Car-Connectivity-Konsortium sowie den WiFi und NFC Alliances zusammenarbeiten, um die Nutzung von UWB sowie die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Technologien zu fördern.

Verglichen mit Nicht-UWB-Techniken wie Bluetooth werden UWB-Lösungen als kostenmäßig weniger wettbewerbsfähig angesehen werden (dies gilt allerdings nur beim Vergleich mit früheren Bluetooth-Versionen, die hardwareseitig keine Fähigkeit zur präzisen Richtungsermittlung mitbringen). Angesichts der rasch wachsenden Verbreitung dürfte sich dies jedoch bald ändern. Im vergangenen September erfolgte die Einführung der UWB-Technik im iPhone 11 von Apple, und für das kommende Jahr ist das Erscheinen von UWB in Android-Smartphones ebenso zu erwarten, wie die großflächige Einführung der UWB-Technik im Automotive- und Security-Segment. Zusammen mit dem Einstieg wichtiger Akteure wie Apple, Samsung und NXP in das Segment werden alle soeben genannten Faktoren gemeinsam zu Skaleneffekten führen und dadurch die Kosten senken.

Die Norm 802.15.4z ermöglicht präzise, laufzeitbasierende Entfernungsmessungen (bis zu 10 cm) mithilfe sehr kurzer Bursts aus HF-Energie, die sich über eine große Bandbreite verteilt. Diese scharfen Bursts weisen klar definierte Flanken auf, mit denen sich die Ankunftszeiten am Empfänger präzise ermitteln lassen. Der Einsatz eines kohärenten Demodulators in Verbindung mit der großen Bandbreite und der Kürze der UWB-Impulse helfen bei der Vermeidung von Interferenzen durch reflektierte Signale (Mehrwegempfang), was im Gegensatz zu Nicht-UWB-Lösungen zuverlässige Messungen ermöglicht.

Die von Qorvo übernommene Firma Decawave war ein Pionier der UWB-basierenden Entfernungsmessprodukte und hat mehrere Lösungen auf der Basis ihres weitentwickelten IC des Typs DW1000 zu bieten. Dieser erlaubt eine Messgenauigkeit von 10 cm und kann mit gepulsten Funksignalen einen Datendurchsatz von 6,8 MBit/s erreichen. Noch in diesem Jahr soll außerdem ein neuer IC mit mehreren Verbesserungen auf den Markt kommen.

Mit Bluetooth die Richtung ermitteln

Mit der Bluetooth Core Specification v5.1 kommt Unterstützung für die hochgenaue Richtungsermittlung. Die Controller-Spezifikation wurde verbessert, um das Berechnen der Richtung mithilfe spezieller Hardware zu unterstützen, zu der ein Antennen-Array gehört.

Bild 2: Mit der Bluetooth Core-Spezifikation v5.1 kommt Unterstützung für die hochgenaue Richtungsermittlung. Es werden zwei Betriebsarten vorgeschlagen, AoA und AoD.
Bild 2: Mit der Bluetooth Core-Spezifikation v5.1 kommt Unterstützung für die hochgenaue Richtungsermittlung. Es werden zwei Betriebsarten vorgeschlagen, AoA und AoD.
(Bild: Future Electronics)

Es werden zwei Betriebsarten vorgeschlagen (Bild 2). Bei der AoA-Methode (Angle of Arrival; dt.: Auftreffwinkel) werden von einem Gerät mit einer Einzelantenne Frames abgesendet, die durch Richtungsermittlungsdaten ergänzt werden. Die über Antennen-Arrays verfügenden Ortungsgeräte/Anker messen anhand der Phasendifferenz die Richtung, aus der diese Frames eintreffen. Ortungsgeräte mit Antennen-Arrays können beispielsweise an den Decken eines Lagergebäudes platziert werden, während sich Einheiten mit Einzelantennen an Paletten befestigen lassen.

Bild 3: Die scharfen Bursts bei der laufzeitbasierten Entfernungsmessung weisen klar definierte Flanken auf, mit denen sich die Ankunftszeiten am Empfänger präzise ermitteln lassen.
Bild 3: Die scharfen Bursts bei der laufzeitbasierten Entfernungsmessung weisen klar definierte Flanken auf, mit denen sich die Ankunftszeiten am Empfänger präzise ermitteln lassen.
(Bild: Future Electronics)

Bluetooth-Systeme können außerdem die AoD-Methode (Angle of Departure; dt.: Absendewinkel) nutzen. Hierbei werden die Richtungsermittlungs-Frames vom Antennen-Array abgesendet, und das empfangende Gerät berechnet die Richtung aus der Phasendifferenz der Signale. Als Beispiel kann ein Mobiltelefon die von den Ankern in einem Supermarkt ankommenden Signale nutzen, um einen Käufer durch die Gänge zu dirigieren.

Ob die Wahl auf die AoA- oder die AoD-Methode fällt, hängt von mehreren Faktoren ab. Entscheidend ist unter anderem, ob der verbindungslose oder der verbindungsorientierte Betrieb bevorzugt wird, welchen Stromverbrauch die Geräte haben und wie teuer sie sein dürfen. Bei der AoA-Methode erfolgt die Berechnung von Winkel und Position durch das Gerät mit dem Antennen-Array, während bei der AoD-Methode das Gerät mit der Einzelantenne dafür zuständig ist.

Bild 4: Mit einem komplexen Antennen-Array und einem Anker lassen sich zwei Winkel berechnen.
Bild 4: Mit einem komplexen Antennen-Array und einem Anker lassen sich zwei Winkel berechnen.
(Bild: Future Electronics)

Mit einem komplexen Antennen-Array und nur einem Anker lassen sich zwei Winkel berechnen. Bei der Verwendung von zwei Ankern ergibt die Überschneidung von Räumen nicht nur einen Winkel, sondern auch die Position (x, y, z). Alternativ kann zusätzlich zur Winkelmessung die Stärke des empfangenen Signals genutzt werden, um die Entfernung zu schätzen und eine ungefähre Position zu ermitteln. Beide Verfahren eignen sich zum Abschätzen der Position, jedoch sind die Genauigkeit, die Zuverlässigkeit und die Komplexität der Implementierungen gegeneinander abzuwägen.

Verbesserungen an den unteren Schichten (LE-Controller) des Bluetooth-Stacks machen es möglich, gewissermaßen den „Rohstoff“ (nämlich die IQ-Daten) für die Richtungsermittlung herzustellen. Abgesehen davon müssen beim Design von Anwendungen bestimmte Aspekte einbezogen werden, die größtenteils durch von der Bluetooth SIG herauszugebenden Profilspezifikationen abgedeckt werden dürften. Zum Beispiel können verschiedene Konzepte gewählt werden – von einem mathematisch einfachen Modell bis zu einem anspruchsvolleren mehrdimensionalen Ansatz, bei dem mehrere Winkel berechnet werden und deren Überschneidung zur präzisen Positionsermittlung dient. Die Bluetooth SIG sieht hierin einen Bereich, in dem die Hersteller miteinander konkurrieren können, und lässt die genaue Implementierungsweise daher offen.

Für das kommende Jahr wird die Einführung von Produkten durch mehrere Hersteller erwartet. BL653 von Laird Connectivity basiert auf dem Baustein nRF52833 von Nordic. Die kosteneffiziente, mehrprotokollfähige BLE-5.1-Lösung BMD-360 von Ublox wiederum basiert auf dem Nordic-IC nRF52811. Von Cypress kommt eine Kombilösung für BLE 5.1/5.2 und WiFi, von der es bereits Muster gibt.

Genaueres UWB oder günstigeres Bluetooth

UWB-basierende Impuls- und ToF-Systeme sind eigens für Indoor-Ortungssysteme konzipiert und können auf dem Markt den Vorreitervorteil ausspielen. Die Technik, die von unabhängigen Herstellern und Partnern auf verschiedenen vertikalen Märkten angeboten wird, ist mittlerweile standardisiert und ist jetzt auch in Smartphones verfügbar. Mehrere UWB-Applikationen dürften BLE als stromsparenden Wake-up-Controller nutzen. Der Einstieg der Bluetooth SIG mit dem Ziel, die gleichen Probleme zu lösen, ist eine interessante Entwicklung. Bluetooth ist Entwicklern vertraut, und das zugehörige Ökosystem ist bedeutend umfangreicher als die sich erst neu formierende FiRa-Community.

Mit Bluetooth lässt sich stromsparender kommunizieren und zudem benötigen einige Anwendungen möglicherweise gar nicht die von UWB gebotene, höhere Genauigkeit. Tatsache ist jedoch auch, dass die Genauigkeit und Zuverlässigkeit kommerzieller Bluetooth-Lösungen ebenso noch bestätigt werden muss wie die Entfernungsgrenzen von Ankern und Tags, was wiederum Rückwirkungen auf die Infrastrukturkosten haben wird. Die Gerätekosten machen schließlich nur einen Teil der finalen Installations- und Betriebskosten aus. Einen großen Anteil an den Bedenken, die gegen die Einführung gehegt werden, haben die vom Installationspersonal geforderten Fähigkeiten und die geschäftlichen Ausfallzeiten.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Ein ausgereiftes, installationsbereites System erfordert eine Zusammenarbeit an mehreren Fronten, wobei auch die Verfügbarkeit eines zugehörigen Ökosystems kritisch sein wird. Zum Beispiel ist absehbar, dass Antennen-Arrays und Positionsberechnungs-Algorithmen von anderen Partnern beigesteuert werden als den Chip- oder gar den Modulherstellern. Für die meisten Prüf- und Zertifizierungsinstanzen ist die Technik noch neu, und um der Interoperabilität und der weiten Verbreitung den Weg zu ebnen, werden die entsprechenden Zertifizierungen derzeit ausgearbeitet. Die Benutzeroberflächen sind applikationsspezifisch und werden individuell entwickelt, während die Backend-Integration in die Cloud projektspezifisch erfolgt.

Langfristig wird sich die Wertschöpfungskette von der Hardware auf solche Firmen verlagern, die eine komplette Systemintegration mit Cloud, Datenvisualisierung und Auswertung anbieten können. Mit den Hard- und Softwareanbietern werden Unternehmen, die Systemintegration und Gebäudemanagementsysteme anbieten, in einer einzigartigen Position sein, um diesen Markt zu erschließen.

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