Documentos técnicos de Bluetooth
Bluetooth es un estándar de tecnología inalámbrica que permite el intercambio de datos de corto alcance entre dispositivos fijos, dispositivos móviles y redes personales en edificios. Permítanme compartir con ustedes algunos artículos sobre tecnología bluetooth de estudiantes universitarios, disfrutémoslos juntos.
Documento sobre tecnología Bluetooth para estudiantes universitarios 1
Medición de posicionamiento por Bluetooth
[Resumen] Este artículo presenta un sistema inalámbrico de medición de posicionamiento en interiores basado en Bluetooth. El funcionamiento general de Bluetooth utiliza el indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) para el control automático de la potencia de transmisión y garantizar una relación señal-ruido estable. Este sistema elimina el sistema de retroalimentación y aplica RSSI para generar una serie de nuevos métodos de prueba. El sistema utiliza un modelo de propagación inalámbrica con línea de visión instalado en un dispositivo para medir la distancia entre un transmisor de referencia y un receptor portátil. El diseño, el funcionamiento y los resultados de las pruebas del sistema confirman un error absoluto medio de 1,2 metros para el rango de medición en presencia de interferencias de trayectos múltiples.
[Palabras clave] Bluetooth, medición de posición, RSSI
1 Breve descripción
La medición de posición en interiores mediante Bluetooth con una precisión de aproximadamente 1 metro ayudará a ampliar el alcance de la nueva Servicios basados en la localización (LBS). Estos servicios incluyen servicios de localización médica, redes informáticas con sensores inalámbricos, sistemas de seguimiento y detección de datos móviles, mapas electrónicos de interiores con fines de seguridad y dispositivos inteligentes con capacidad de reconocimiento de ubicación.
La medición del posicionamiento en interiores requiere el desarrollo de nuevos equipos técnicos. El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) requiere cuatro satélites dentro de la línea de visión para garantizar un posicionamiento tridimensional preciso, por lo que no se puede utilizar en interiores. Las unidades de radio se pueden utilizar para medir ubicaciones interiores en distancias cortas (radio de 10 m), según la identificación de la unidad, pero requieren la instalación de muchas unidades fijas y espaciadas uniformemente para cubrir un área específica.
Descripción del trabajo del sistema de medición de posicionamiento interior Bluetooth: Mide la potencia recibida en dispositivos de radio interiores, generalmente utilizados para rastrear la distancia entre un transmisor Bluetooth de referencia fija y un receptor portátil en un canal de línea de visión con trayectoria múltiple. interferencia.
2 Medición de posicionamiento del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI)
En los dispositivos Bluetooth, el valor del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) se utiliza a menudo para minimizar la potencia de transmisión con el fin de recibir A. señal con una relación señal-ruido satisfactoria. En este sistema, el sistema de retroalimentación está deshabilitado y la distancia entre el transmisor (potencia de transmisión PTX) y el receptor se puede calcular utilizando un dispositivo de medición RSSI y un modelo de propagación de radio.
Este método es muy adecuado para sistemas de posicionamiento en interiores. Otras técnicas de posicionamiento inalámbrico en interiores no son aplicables, como el método del ángulo de llegada (AOA), el método de la hora de llegada (TOA) y el método de la diferencia horaria de llegada (TDOA). El primero: el método AOA requiere un conjunto de antenas especial para medir el ángulo de la señal recibida, que es más caro y sólo es adecuado para sistemas dedicados. El uso de tecnología de escaneo requiere que el sistema tenga un reloj preciso. El dispositivo portátil tiene una precisión de reloj de 1 segundo, pero un error de posicionamiento de 1 metro requiere una precisión de reloj de 3 segundos.
El modelo de propagación de ondas de radio utilizado aquí es el siguiente:
PRX = PTX GTX GRX 20log(c/4лf) - 10n?(d)(1)
= PTX GTX GRX - 40.2-10n?(d)(1)
= PTX GTX GRX - 40.2-10n?40.2-10n?(d)(2)
Donde: PRX es la potencia recibida; PTX es la potencia de transmisión (dB); GRX y GTX son las ganancias de la antena (dBi); c es la velocidad de la luz (3,0x108 m/s) es la frecuencia central (2,44 GHz); ; n es el coeficiente de atenuación (en el espacio libre es 2); d es la distancia entre el transmisor y el receptor (m).
RSSI se utiliza en sistemas Bluetooth para medir directamente la potencia recibida, con un microprocesador incorporado que informa los datos a un indicador digital.
Con este dispositivo, la relación entre RSSI y la potencia recibida se traza como se muestra en la Figura 1.
Figura 1 Curva de relación entre RSSI y potencia recibida PRX
Analizando la Figura 1, la relación entre RSSI y potencia recibida PRX se puede obtener de la siguiente manera:
PRX = - 40dBm RSSI, RSSIgt; 0dB
- 60dBm PRX? -60dBm RSSI=-10dB
Por lo tanto, la distancia d entre el transmisor de referencia y el receptor portátil satisface la siguiente fórmula:
d=10[( PTX-40.2-PRX G) /10n](4)
Aquí, PRX es el valor RSSI medido calculado según la fórmula (3), y la ganancia total de la antena G= GTX GRX
3 Composición del sistema
El sistema de posicionamiento es desarrollado utilizando una composición de kit Bluetooth disponible comercialmente. Como se muestra en la Figura 2, se utiliza una computadora personal como host Bluetooth para controlar el módulo Bluetooth.
Las aplicaciones de posicionamiento se implementan en la interfaz de línea de comando de radiofrecuencia (RFCLI), que permite a los usuarios controlar y acceder a varias capas de software Bluetooth. La capa de software se divide en la interfaz de host (HCI) y el dispositivo Bluetooth. El host se controla mediante una conexión por cable mediante recepción/transmisión asíncrona universal (UART). La UART (interfaz de hardware HCI) integrada controla la banda base y las capas de RF.
Figura 2 Conexión de hardware entre el host y el dispositivo Bluetooth
El transmisor de referencia se comunica con el receptor portátil. Primero se deben desactivar las capacidades de control de energía del chip Bluetooth. Hacerlo evitará que los dos dispositivos intercambien información de control de energía mientras mantienen la energía de recepción dentro de sus límites (lo que resultará en una lectura RSSI de 0).
Las mediciones se realizaron en dos condiciones ambientales diferentes:
Las mediciones se realizaron en una habitación libre de eco.
En mediciones de salas anecoicas, la ganancia de la antena se determina como G. La configuración de medición está diseñada para simular un entorno de espacio libre con un rango de frecuencia de 2 a 40 GHz, un coeficiente de atenuación de n=2,0 e interferencia por trayectos múltiples insignificante. Las antenas se colocan a una altura de 0,6 metros y la distancia máxima entre antenas es de 3 metros.
La ganancia de antena G se muestra en la ecuación (4) y, dado que se conocen las otras variables, se calcula que el valor promedio de G es -4,8 dBi.
Medición en entorno de oficina
La medición RSSI utiliza dos puntos de referencia de prueba en un entorno de oficina con incrementos de distancia de 0,1 m
Figura 3 Diseño de medición
En oficinas , las ondas reflejadas del metal pueden causar múltiples interferencias. Los escritorios y sillas de oficina también contienen piezas metálicas.
En la línea de base 1, la antena se coloca a una altura constante de 1,05 metros; en la línea de base 2, la antena se coloca a una altura constante de 0,6 metros.
Las dos antenas están colocadas en direcciones y alturas fijas, ambas dentro del campo visual y a 0,1 metros de distancia. Genera un enlace inalámbrico dúplex utilizando el protocolo de comunicaciones por radiofrecuencia (RFCOMM). Se calibraron once potencias de transmisión diferentes utilizando el analizador de espectro:
Para las 11 potencias de transmisión de referencia informadas anteriormente, el receptor portátil leyó los valores RSSI correspondientes. Si el valor RSSI no es cero, tome 20 mediciones RSSI para cada valor y registre el valor RSSI promedio. Las frecuencias portadoras para cada medición se distribuyen aleatoriamente dentro del ancho de banda de Bluetooth (2,4000-2,4835 GHz). Si el valor RSSI es 0 y no se registran datos recibidos, se selecciona una potencia de transmisión diferente. Se deben probar las 11 potencias de transmisión.
La distancia del segmento aumenta en 0,1 metros, con un valor máximo de 6,8 metros.
Basado en los 11 valores RSSI recibidos, PRxi está optimizado para la máxima potencia de transmisión por distancia de segmento, PTx1=2,9dBm. La diferencia entre la potencia de transmisión real y la potencia de transmisión máxima Pdiff = (PTx1 a PTxi) (dB), el canal y la potencia están relacionados linealmente, por lo que el valor RSSI recibido RRxi se optimiza a una potencia de transmisión constante aumentando Pdiff.
RRxi=PTxi Pdiff=PRxi (PTX1-PTxi)(5)
Utilizando las fórmulas (3) y (5) podemos obtener:
-40 RSSIi (PTX1-PTxi), RSSIi gt; 0dB
RRxi= -60 RSSIi (PTX1-PTxi), RSSIi?dB, (6)
Los datos están vacíos, RSSIi = 0dB O RSSIi = -10dB
Para el indicador de potencia recibida, RRX corresponde a los datos RSSI cuando son distintos de cero, que viene dado por la siguiente fórmula
11
RRX= 1 /x?RRxi (7)
i=1
Figura 4 Relación entre la potencia recibida RRX y la distancia d
(Transmisión normalizada potencia = 2,9 dBm )
4 Resultados
4.1 Potencia recibida y distancia
El valor optimizado de la potencia recibida RRX corresponde a la distancia del segmento correspondiente
Distancia d, donde d es la distancia entre el transmisor de referencia y el transmisor portátil, es decir, la distancia entre el transmisor base y el receptor portátil. Las mediciones para la Línea Base 1 y la Línea Base 2 en un entorno de oficina se muestran en la Figura 4.
La Figura 4 muestra los resultados de los efectos del desvanecimiento por trayectos múltiples, con la amplitud de ambas curvas medidas disminuyendo a medida que aumenta la distancia. Dado que Baseline 1 y Baseline 2 están ubicados en diferentes lugares de la oficina, la interferencia atenuada en el posicionamiento de medición también es diferente.
El valor teórico de RRx lo predice el modelo de propagación, donde PTx=2,9 dBm, n=2, G=-4,82 dBi.
La distancia real y la desviación estándar del error absoluto medio de la distancia d {calculado mediante la fórmula (4), PTx=2,9 dBm, n=2, G=-4,82 dBi} se calculan de la siguiente manera.
Tabla 1 Error absoluto y desviación estándar
Línea base 1 Línea base 2
Error absoluto medio (m) 0,91 1,31
Desviación estándar ( m) 0,95 1,30
4.2 Discusión
La precisión de la medición del sistema de posicionamiento Bluetooth basado en RSSI depende de los siguientes tres factores:
4.2.1 Precisión recibida Indicadores de potencia
Los valores RSSI definidos en la especificación Bluetooth no están destinados específicamente a medir la potencia recibida (dB). En cambio, RRX se utiliza como indicación de potencia recibida para la estimación del alcance. El error de medición de la potencia recibida se puede minimizar promediando utilizando potencias de transmisión optimizadas multiplexadas.
4.2.2 Elegir correctamente el coeficiente de atenuación y la ganancia de antena G en el modelo de propagación.
El análisis de acondicionamiento lineal se utiliza para determinar el coeficiente de atenuación n y la ganancia de la antena G (n=2,15, G=-5,34dBi). Estos datos corregidos se utilizarán en el modelo de propagación y la precisión del posicionamiento mejorará en aproximadamente un 10%.
4.2.3 Reducir el impacto de la interferencia multitrayecto
La curva de relación entre potencia recibida y distancia (ver Figura 4) muestra la fluctuación entre los valores de prueba y los valores teóricos de los dos dispositivos de medición y desviación.
El gráfico muestra los resultados de las mediciones promediados en el tiempo, la frecuencia y la potencia de transmisión.
5 Conclusiones
En el modelo de propagación inalámbrica de línea de visión (LOS), se utiliza una unidad simple para implementar Bluetooth para mediciones de posicionamiento desactivando la potencia de propagación (automática) de Bluetooth. Función de control del valor RSSI del indicador de intensidad de la señal recibida.
Esta tecnología reduce el error medio absoluto de posicionamiento a 1,2 metros. Sin embargo, vale la pena señalar que todavía existen errores de posicionamiento bajo una fuerte interferencia multitrayectoria. La estimación de la posición absoluta requiere promediar una serie de posiciones espaciales cercanas para aumentar la confianza.
El trabajo futuro puede incluir completar el sistema de evaluación en condiciones que no sean LOS. Utilice la triangulación para proporcionar información de ubicación precisa en un plano bidimensional.
Referencias
[1] A. Harder, L. Song y Y. Wang, Hacia un sistema de localización en interiores que utiliza la intensidad de la señal de RF en IEEE802.11, (abril de 2005). /p>
[2] Sheng Zhou y John Pollard, Medición de posición mediante Bluetooth, en IEEE0098/3036/06, (mayo de 2006).
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