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Bluetooth^® Wireless beeindruckt mit stetiger Weiterentwicklung. Die ursprünglich für die drahtlose Übertragung von Informationen zwischen Mobilgeräten konzipierte Technologie hat mittlerweile – insbesondere seit Einführung der Low Energy (LE)-Version als „Markenzeichen“ von Bluetooth 4.0 im Jahr 2010 – enorme Verbreitung gefunden. Bluetooth LE machte die Technologie auch auf Geräten mit bescheidenen Batterieressourcen nutzbar und ermöglichte so auf einen Schlag die drahtlose Vernetzung unzähliger bis dahin ‚dummer‘ Produkte.

In den ersten Jahren sorgten vor allem „Appcessories“ für die Verbreitung von Bluetooth LE – drahtlose Produkte wie Wearables, Spielzeuge, Fahrradlampen und Kaffeemaschinen, die direkt per Smartphone gesteuert werden konnten. Zufällig entsprach die Technologie in ihren wesentlichen Eigenschaften aber auch den Anforderungen der drahtlosen Sensoren, die das Fundament des Internet der Dinge (IoT) bilden. Und mit der Einführung von Bluetooth^® 5, die höheren Durchsatz, größere Reichweite und verbesserte Koexistenz mit sich brachte, hat sich Bluetooth unlängst endgültig als eine der entscheidenden Technologien für eine „intelligente“ Zukunft etabliert.

Bluetooth 4.0 und 5 wurden mit dem großen Tamtam eingeführt, das die Werbefachleute so gut beherrschen, und brachten je auch tatsächlich bedeutende technische Verbesserungen mit sich. Im Gegensatz dazu fiel der Rummel um das neueste Upgrade, Bluetooth 5.1, eher klein aus, obwohl es die Lösung für ein Problem verspricht, dem sich bis dahin noch keine andere Wireless-Technologie gestellt hatte.

Dem Signal auf der Spur

Globale Satellitennavigationsdienste wie Galileo, Global Positioning System (GPS) und Global Navigation Satellite Systems (GLONASS) bilden das Rückgrat zahlreicher Orientierungs- und Ortungsanwendungen. Doch alle diese Systeme sind auf eine „Sichtverbindung“ zu ihren jeweiligen Satelliten angewiesen. Und alternative Lösungen wie die Standortbestimmung anhand der bekannten Position eines WLAN-Routers weisen nur eine vergleichsweise geringe Genauigkeit von etwa zehn Metern auf.

Bluetooth selbst nutzt ein so genanntes Received Signal Strength Indicator (RSSI)-Verfahren, um die ungefähre Postion beispielsweise eines Smartphones mit eingebautem Bluetooth-Transceiver zu ermitteln. Wie der Name vermuten lässt, wird bei diesem Verfahren anhand der Stärke des Bluetooth-Signals die Entfernung des Transceiver zu einem bekannten Fixpunkt (z. B. einem Beacon) bestimmt. Ein solches System kann grundsätzlich nicht den genauen Standort des betreffenden Transceivers bestimmen, sondern (im Falle eines auf eine horizontale Ebene wie den Fußboden beschränkten Bluetooth-Transceivers) lediglich seine Position auf den Umfang eines Kreises mit einem bestimmten Radius um den Beacon eingrenzen. Ein weiterer Ungenauigkeitsfaktor ist die (in der Regel unbekannte) Signaldämpfung durch Wände und andere Hindernisse.

Die WLAN- und Bluetooth-basierten Proximity-Systeme haben sich in Einzelhandelsanwendungen bewährt, mit denen Verbraucher entsprechend ihrem ungefähren Standort mit Kontextinformationen versorgt werden können, sind aufgrund ihrer mangelnden Präzision aber weder für die Indoor-Navigation noch für die Objektverfolgung geeignet.    

Winkelzüge

Laut John Leonard, Senior Product Marketing Manager beim Bluetooth-Chip-Hersteller Nordic Semiconductor, wird mit Bluetooth 5.1 eine Technologie namens „Direction Finding“ eingeführt, die die Eignung des Protokolls für die Indoor-Navigation und Objektverfolgung erheblich verbessert. Leonard zufolge ermöglicht die Peilungstechnik der neuen Revision eine „präzise Standortbestimmung im dreidimensionalen Raum (und wird damit) in Innenräumen ähnliche Anwendungsmöglichkeiten bieten wie die GPS-Positionsbestimmung im Freien“.

Bluetooth 5.1 Direction Finding kombiniert RSSI mit einem Verfahren zur Bestimmung der Richtung, aus der ein eingehendes Funksignal kommt. Dadurch kann der Standort des Transceivers nicht mehr nur als Kreislinie dargestellt, sondern auf etwa einen Meter genau bestimmt werden. Eine ausführliche Beschreibung dieser höchst komplexen neuen Technologie würde den Rahmen dieses Beitrags sprengen, doch im Wesentlichen werden zwei Methoden der Richtungsbestimmung verwendet:

• Angle-of-Arrival (AoA), der Einfallswinkel des Empfangssignals
• Angle-of-Departure (AoD), der Ausfallwinkel des Sendesignals

Der AoA wird anhand der Phasendifferenz der bei einer Reihe von Antennen ankommenden Signale einer bestimmten Quelle errechnet. Wenn die Antennenreihe im rechten Winkel zum Sender steht, tritt praktisch keine Phasendifferenz auf, doch je mehr sich der Winkel verändert, desto größer wird der Entfernungsunterschied zwischen dem Sender und den einzelnen Antennen und damit auch die Phasendifferenz. Anhand der Phasendifferenzdaten lässt sich sodann mit einem entsprechenden Algorithmus der Winkel zwischen dem Sender und dem Empfänger berechnen. Somit ermöglicht das AoA-Verfahren dem Empfangsgerät, die Position des Senders einzuschätzen.

Bei der anderen Variante, dem AoD-Verfahren, nutzt der Empfänger nur eine Antenne, während der Sender mit mehreren Antennen ausgestattet ist, die der Reihe nachsenden. Auf diese Weise ist das Empfangsgerät in der Lage, seine eigene Position im Raum anhand der Winkel mehrerer fester Empfänger zu errechnen.

Je nach Komplexität der Antennengruppe funktioniert Direction Finding in zwei oder drei Dimensionen. Und mit einer gut durchdachten Antennengruppe und der entsprechenden Software lassen sich mittels AoA und AoD Winkel auf ±2° und Positionen auf einen halben Meter genau bestimmen.

Designprobleme

Theoretisch ist Bluetooth 5.1 Direction Finding ein eleganter Ansatz zur Positionsbestimmung, auf dessen Grundlage verschiedene Hersteller bereits kommerzielle Lösungen anbieten. Doch die Entwicklung einer praktischen Anwendung ist alles andere als einfach. Viele Bluetooth-Entwickler, die mit der einzelnen Antenne eines Transceivers durchaus vertraut sind, dürften sich mit Antennengruppen weniger gut auskennen. Und selbst bei einer geeigneten Antennengruppe erschweren Faktoren wie Polarisierung, Mehrweginterferenzen, Taktzittern und Laufzeitverzögerungen das Extrahieren der reinen Phaseninformation aus dem Rauschen enorm.

Da die Berechnung der Winkel von Funksignalen in medizinischen, sicherheitstechnischen und militärischen Anwendungen schon seit langem eingesetzt wird, können die Entwickler bei der Peilung mittels Bluetooth Direction Finding auf eine Reihe bewährter Algorithmen zurückgreifen. Diese Algorithmen müssen allerdings noch präzise auf die zu erwartenden Einsatzszenarien der jeweiligen Anwendung abgestimmt werden. Und sie erfordern die Dienste von Bluetooth Systems-on-Chip (SoCs) mit leistungsfähigen Prozessoren und jeder Menge Flash- und RAM-Speicher.

Bluetooth 5.1 Direction Finding bietet viele Möglichkeiten für neue Anwendungen der Wireless-Technologie in Bereichen wie Indoor-Navigation und Objektverfolgung und eine neue Generation komplexerer Beacons. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) als Hüterin der Bluetooth-Technologie rechnet bis 2022 mit rund 400 Millionen Bluetooth „Location Services“-Produkten pro Jahr. Doch der Weg dorthin wird nicht einfach sein. Interessierte Ingenieure sollten sich vom Distributor ihres Vertrauens beraten lassen, bevor sie ihr erstes Projekt in Angriff nehmen.