Technologia Bluetooth LE stała się wszechobecna w bardzo zróżnicowanych zastosowaniach. Spotykamy ją w urządzeniach konsumenckich, medycznych, audio, przemysłowych i wielu innych. Bezprzewodową technologię bliskiego zasięgu można wykorzystać do wykrywania i zgłaszania obecności urządzeń, szacowania odległości między nimi oraz do obliczania kierunku do innego urządzenia.

Najnowsza aktualizacja podstawowej specyfikacji Bluetooth 6.0 dodaje nową funkcję pomiaru odległości zwaną sondowaniem kanałów Bluetooth. Technologia ta pozwala na bezpieczny precyzyjny pomiar odległości pomiędzy dwoma urządzeniami Bluetooth i daje nadzieję na wiele nowych, innowacyjnych bezprzewodowych zastosowań zbliżeniowych i dalekiego zasięgu. Co więcej, oczekuje się, że funkcja sondowania kanałów będzie powszechnie stosowana w telefonach komórkowych i szerokiej gamie innych produktów z technologią Bluetooth LE z zasilaniem bateryjnym, zapewniając standaryzację i interoperacyjność.

Wprowadzenie do sondowania kanałów

Technologia Bluetooth LE od dawna wykorzystuje funkcje usług lokalizacji i pozycjonowania urządzeń. Na przykład profil Find Me został włączony do podstawowej specyfikacji Bluetooth, gdy technologia Bluetooth LE (4.0) została wydana po raz pierwszy.

Później, gdy popularnym zastosowaniem Bluetooth LE stały się lokalizatory, wartość w specyfikacji Bluetooth znana jako „moc nadawania” stanowiła referencyjny poziom mocy w odległości jednego metra od lokalizatora lub innego urządzenia nadawczego. Sygnały o częstotliwościach radiowych są tłumione w przybliżeniu proporcjonalnie do kwadratu odległości od nadajnika. W związku z tym, znając wartość mocy nadawania, można użyć zmierzonego wskaźnika poziomu sygnału odbieranego (RSSI) w celu oszacowania odległości („blisko”, „podłączono” lub „poza zasięgiem”) między lokalizatorem lub innym nadajnikiem i odbiornikiem.

W 2019 r. w specyfikacji Bluetooth 5.1 wprowadzono funkcję radionamierzania. Technika ta umożliwia dokładne obliczenie kierunku odbieranego sygnału na podstawie pomiarów fazy wykonanych przez kontroler Bluetooth LE. Zdefiniowano dwie metody: z użyciem kąta nadejścia (AoA) i kąta wyjścia (AoD).

Z kilku kluczowych powodów funkcja sondowania kanałów stanowi obecnie proste i niezawodne rozwiązanie do zastosowań pomiaru odległości. Po pierwsze, jest ustandaryzowana i interoperacyjna. Po drugie, może być obsługiwana przez bardzo proste urządzenia lub jako dodatek do bardziej zaawansowanych produktów bez konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów sprzętu i przy minimalizacji oprogramowania. Po trzecie, pobór mocy jest tak niski, jak przy zwykłym przesyłaniu danych przez Bluetooth LE. Sondowanie kanałów obsługuje różne opcje konfiguracji sprzętu i oprogramowania w zakresie dokładności, opóźnienia, bezpieczeństwa i poboru mocy.

Specyfikacja Bluetooth dla sondowania kanałów definiuje nowe funkcje radia (PHY), funkcje kontrolera, środki bezpieczeństwa i procedury potrzebne do zbierania nieprzetworzonych danych pomiarowych. Jednak konwersja surowych danych na wynikowy pomiar odległości za pomocą specjalnie opracowanych algorytmów jest wykonywana na poziomie aplikacji i wykracza poza zakres specyfikacji. Konfigurację pomiarów i algorytmów można regulować w celu zrównoważenia wymaganej dokładności, opóźnienia, bezpieczeństwa i poboru mocy przez aplikację.

Technologia będąca podstawą sondowania kanałów jest złożona, ale opiera się na pomiarze odległości na podstawie fazy (PBR) lub pomiarze czasu przelotu pakietów w obie strony (RTT). Pomiar odległości na podstawie fazy (PBR) opiera się na przesunięciu fazowym sygnału wysyłanego przez urządzenie inicjujące (inicjator) i zwracanego przez urządzenie odbijające (reflektor) na wielu częstotliwościach.

Rys. 1. Do określenia odległości między inicjatorem a reflektorem można wykorzystać różnice fazowe między sygnałami o dwóch różnych częstotliwościach

Technika pomiaru czasu przelotu w obie strony (RTT) opiera się na czasie podróży pakietów radiowych pomiędzy inicjatorem i reflektorem. Algorytmy używane w metodzie pomiaru czasu przelotu w obie strony (RTT) są prostsze niż algorytmy używane do pomiaru na podstawie fazy (PBR).

Rys, 2, Do określenia odległości między urządzeniami można wykorzystać czas przelotu pakietu radiowego między inicjatorem i reflektorem

Wprowadzanie nowych zastosowań

Podobnie jak wszystkie ulepszenia Bluetooth LE, sondowanie kanałów doprowadzi do powstania wielu zastosowań, które trudno sobie wyobrazić — choć jest kilka przykładów przychodzących do głowy. Są to m.in. udoskonalone tagi. Dzisiejsze urządzenia tej kategorii sprawdzają się dobrze, ale problemy mogą pojawić się, gdy wibracje lub dźwięk emitowane podczas aktywacji, zostaną stłumione przez poduszki, sofy lub koce. Sondowanie kanałów umożliwi stosowanie precyzyjnych alarmów zbliżeniowych typu „gorąco-zimno” na duże odległości w celu przezwyciężenia ograniczeń związanych z alarmami dźwiękowymi lub wibracyjnymi.

Innym zastosowaniem, które zyska przewagę dzięki sondowaniu kanałów, jest inteligentny zamek. Wykrywanie obecności osoby, która chce go aktywować zostanie udoskonalone, a inteligentne zamki skorzystają na solidnej ochronie przed atakami typu „man-in-the-middle”. Dzięki tej technologii zostaną również udoskonalone urządzenia.

Technologia Bluetooth LE jest już szeroko stosowana w usługach lokalizacji śledzenia różnych przedmiotów (kluczy, pilotów itp). Jednak sondowanie kanałów zapewni większą precyzję, niezawodność i wygodę w takich zastosowaniach, bez znacznego zwiększania złożoności i kosztów w istniejących rozwiązaniach.

Wsparcie deweloperów w zakresie sondowania kanałów

Wprowadzane w najbliższym czasie bezprzewodowe układy SoC czwartej generacji firmy Nordic – serie nRF54L oraz nRF54H, będą obsługiwać Bluetooth 6.0 i sondowanie kanałów. W ramach wsparcia dla serii nRF54 zostanie przeprowadzona aktualizacja ujednoliconego i skalowalnego zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) nRF Connect.

Układ nRF54L15 to bezprzewodowy SoC czwartej generacji firmy Nordic z funkcję sondowania kanałów Bluetooth

Należy pamiętać, że określanie odległości z zastosowaniem metody pomiaru fazy (PBR) i czasu przelotu pakietów (RTT) jest dobrym rozwiązaniem w aplikacjach wykorzystujących Bluetooth, to jednak istnieją też zastrzeżone technologie alternatywne. Zestaw narzędziowy Nordic Distance Toolbox (NDT) oferuje zaawansowane pomiary odległości metodą PBR lub RTT oraz funkcje wykrywania zbliżeniowego dla deweloperów, którzy ich potrzebują poza ekosystemem Bluetooth, lub którzy chcieliby wdrożyć powiązane aplikacje w wybranych układach SoC z serii Nordic nRF52 i nRF53.

Biblioteka oprogramowania środowiska uruchomieniowego (SDK) nRF Connect zawiera algorytm, który dokładnie określa odległość między dwoma urządzeniami obsługującymi zestaw narzędziowy Nordic Distance Toolbox (NDT). Używając go można znacznie zwiększyć dokładność w porównaniu z rozwiązaniami opartymi wyłącznie na wskaźniku siły sygnału odbieranego (RSSI). W zestawie rozwojowym oprogramowania (SDK) nRF Connect znajduje się przykład, który demonstruje funkcjonalność wspomnianego zestawu narzędziowego Nordic Distance Toolbox (NDT).

Źródło: Nordic Semiconductor