Vergleich von Kommunikationsprotokollen in RTLS:Angle of Arrival vs. Phase Ranging

Da die Branche des Internets der Dinge (IoT) weiter boomt, haben viele Unternehmen damit begonnen, Real Time Location Systems (RTLS) für kommerzielle Anwendungsfälle zu entwickeln. Es gibt mehrere Protokolle, die in RTLS verwendet werden können, um den Standort eines markierten Assets zu bestimmen. Einige neuere Technologien, die verwendet werden, sind Phase Ranging und Angle of Arrival (AoA). In diesem Artikel werden wir beide Technologien sowie deren Vor- und Nachteile als Teil eines RTLS untersuchen.

Was ist die Phasenbereichstechnologie?

Die Phasenrangierung bestimmt den Standort eines Asset-Tags durch Messung der Round-Trip-Phasenverschiebung von Signalen, die vom Tag zum Beacon bei verschiedenen Frequenzen gesendet werden. Diese Phaseninformation wird dann verwendet, um die Rundreisedistanz abzuleiten. Da BLE-Funkgeräte mit geringer Leistung die Phase mit hoher Präzision messen können, ermöglicht diese Technik eine Ranging-Technologie zu viel geringeren Kosten als zeitbasierte Systeme (wie UWB).

Sobald das Tag Reichweiten zu mindestens vier Beacons (idealerweise>6) gemessen hat, kann es seinen Standort trilaterationieren. All dies geschieht innerhalb weniger hundert Millisekunden.

Was ist die Angle of Arrival (AoA)-Technologie?

Ähnlich wie bei Phase Ranging verwendet AoA Phasenmessungen zur Ortung – hier enden jedoch die Ähnlichkeiten. Anstatt eine Entfernung vom Tag zum Beacon zu messen, schätzt AoA eine Peillinie von einem Tag zu einem Ortungsgerät (einem Gerät, das Tag-Signale empfängt). Das Ortungsgerät tut dies, indem es ein Antennenarray verwendet und während des Signalempfangs zwischen Elementen umschaltet. Durch den Vergleich der Phasenverschiebungen zwischen diesen Elementen kann der Winkel des eingehenden Signals berechnet werden. Wenn das Signal von einem Tag von mehreren Locators empfangen wird, kann die Tag-Position abgeleitet werden, indem geschätzt wird, wo sich die „Strahlen“ von jedem Locator schneiden.

Unterschiede erkunden

Nachdem Sie nun ein allgemeines Verständnis von Phase Ranging und AoA haben, lassen Sie uns die wichtigsten Funktionen, Vor- und Nachteile dieser RTLS-Kommunikationsprotokolle untersuchen.

1. Auflösung

   In einem AoA-System hängt die Auflösung von der Entfernung vom Ortungsgerät ab. Dies kann man sich als Speichen an einem Rad vorstellen; Je weiter Sie sich von der Nabe entfernen, desto größer ist der Abstand zwischen den Speichen. Je weiter ein AoA-Tag vom Locator entfernt ist, desto gröber wird die Ortsauflösung. Dies erlegt der Platzierung des Locators Beschränkungen auf, z. sie können nicht an zu hohen Decken montiert werden. Im Gegensatz dazu ist die Auflösung des Phase Ranging-Systems eine reine Funktion der Signalbandbreite und unabhängig von der Reichweite, sodass Beacons nur platziert werden müssen, um eine ausreichende Abdeckung zu erreichen und eine gute Ranging-Geometrie für die Tags bereitzustellen.

2. Kosten

   Um Winkel zu messen, benötigt der AoA-Locator ein relativ großes, kundenspezifisches Mehrelement-Antennen-Array. Aufgrund dieser Hardwarekomplexität ist AoA tendenziell teurer als Phase Ranging-Systeme. Phase Ranging Beacons können grundlegende Rundstrahlantennen (Chip oder integriert) verwenden. Die vergleichsweise Einfachheit der Phase Ranging-Komponenten reduziert die Gemeinkosten für den Benutzer.

3. Installation

   Der gängige Algorithmus zur Berechnung des AoA heißt MUSIC (MUltiple Signal Classification). Rechnerisch ist dies ein aufwendiges Verfahren – es ist nicht möglich, MUSIC auf dem Asset-Tag oder Locator zu implementieren. Dies erfordert, dass jeder Locator Samples zur Verarbeitung entweder an einen „Edge-Prozessor“ oder die Cloud zurücktransportiert. Angesichts der Datenmenge ist dies der bevorzugte Weg, dies über kabelgebundene Ethernet-Verbindungen zu tun, was sowohl die Ortungskosten als auch den Installationsaufwand erhöht. Phase Ranging-Tags hingegen berechnen ihre eigene Position. Sie benötigen keine umfangreiche Backhaul-Infrastruktur. Durch die Verwendung eines Low Power Wide Area Network (LPWAN)-Links für den Backhaul sind keine Kabel erforderlich.

4. Multipath

   Jeder, der sich mit Indoor Asset Tracking beschäftigt, weiß, dass metallische Objekte Signale reflektieren können. Ein Großteil der Arbeit, die in Link Labs mit Phase Ranging-Systemen durchgeführt wurde, bestand darin, die Auswirkungen von Reflexionen zu minimieren. In diesem Fall ist AoA nicht wirklich vergleichbar. Da die Entfernungsmessung die Signalankunftszeit misst, unterscheidet sie natürlich Mehrwege. In einem winkelbasierten System ist Multipath schwieriger zu identifizieren. Obwohl der MUSIC-Algorithmus dabei helfen kann, den Mehrweg zu unterscheiden, weist er eine wesentliche Schwäche auf:Der Algorithmus geht davon aus, dass alle empfangenen Signale unkorreliert sind (mit anderen Worten, das Signal kommt nicht von derselben Quelle). Mehrwegereflexionen sind jedoch stark korreliert, da sie verzögerte Versionen desselben Signals sind. Dies erfordert die Verwendung zusätzlicher Informationen wie der Signalstärke, um eine ungefähre Entfernung zum Tag zu berechnen, aber auf der Signalstärke basierende Entfernungsmessungen sind notorisch ungenau, insbesondere bei weiteren Entfernungen vom Ortungsgerät.

5. Genauigkeit

Genauigkeit ist wohl die wichtigste Metrik eines RTLS, aber auch die nuancierteste. Als Beispiel ist hier eine kumulative Verteilungsfunktion (CDF) der Standortgenauigkeit von einem Lager unter Verwendung des OnSite XLE Phase Ranging-Systems von Link Lab.

Y-Achse repräsentiert Perzentile, z. 0,5 =50% – und die X-Achse stellt einen Parameter dar – in diesem Fall die Systemgenauigkeit in Metern

Um realistische Erwartungen zu erfüllen, geben wir die Genauigkeit des 90. Perzentils an (d. h. die Genauigkeit, die in 90 % der Fälle erreicht wurde; dies sind die in der Plotlegende angegebenen Statistiken zusammen mit der Anzahl der im Fix verwendeten Beacons) – in diesem Beispiel ist es etwa 1,2 Meter. Wenn wir jedoch stattdessen das 50. Perzentil als Spezifikation verwenden, können wir sagen, dass es eine Genauigkeit von 40 cm hat. Beim Vergleich von Systemgenauigkeitsspezifikationen ist es entscheidend, dass die zugrunde liegende Methodik dieselbe ist, andernfalls ist es kein fairer Vergleich. Wenn Sie sich das obige Diagramm ansehen, stellen Sie fest, dass einige Prozent der Zeit Millimeter Genauigkeit erreicht wurde. Weniger gewissenhafte Systemanbieter verwenden möglicherweise niedrigere Perzentilzahlen, um ihr System genauer erscheinen zu lassen, als es ist. Fragen Sie also immer, unter welchen Bedingungen die Genauigkeit gemessen wurde und welche statistischen Benchmarks verwendet wurden.

Phasenbereich durch AirFinder OnSite XLE

Das Verständnis der Unterschiede zwischen Phase Ranging und AoA ist entscheidend bei der Entscheidung, welche Asset-Tracking-Lösung implementiert werden soll. Allerdings gilt Phase Ranging allgemein als die bessere Gesamttechnologie. Bei Link Labs verwendet unser AirFinder Onsite Xtreme Low Energy (XLE) die Phase Ranging-Technologie, um Benutzern Genauigkeit zu bieten, ohne Kompromisse bei der Batterielebensdauer und den Kosten des Tags einzugehen. Für weitere Informationen zu XLE buchen Sie noch heute eine Demo.