استفاده از زاویه ورود (AoA) برای تعیین جهت با بلوتوث ۵.۱
تشریح فنی روش زاویه ورود (AoA) با بلوتوث ۵.۱، محاسبه زاویه از اختلاف فاز آنتن‌ها، آزمایش‌ها و کاربرد در صنایع لجستیک، بهداشت و تولید.
استفاده از زاویه ورود برای تعیین جهت با بلوتوث ۵.۱
بسیاری از سیستم‌های موقعیت‌یابی در زمان واقعی (RTLS) نیاز به دقت بالای نتایج، تا چند سانتی‌متر، دارند. در چنین شرایطی، موقعیت‌یابی مبتنی بر زاویه ورود (AoA) که با استفاده از فناوری بلوتوث® ۵.۱ امکان‌پذیر است، به کمک می‌آید. روش زاویه ورود علاوه بر قدرت سیگنال (RSSI)، زاویه ورود سیگنال را نیز در نظر می‌گیرد که امکان محاسبه موقعیت دقیق شیء را در محدوده ۰.۱ تا ۱ متر فراهم می‌کند. زاویه ورود AoA به روش‌های مبتنی بر مثلث‌بندی بلوتوث® تعلق دارد.
بلوتوث ۵.۱ و زاویه ورود (AoA)
با معرفی استاندارد بلوتوث ۵.۱، امکان تعیین جهت سیگنال ورودی با استفاده از تغییرات فاز زاویه‌ای بین آنتن‌ها هنگام دریافت سیگنال‌های RF فراهم شد. برای فعال‌سازی AoA، ویژگی Bluetooth Direction Finder باید یک پسوند تون ثابت (CTE) به بسته داده اضافه کند. بدین ترتیب، گیرنده می‌تواند مؤلفه‌های IQ سیگنال را نمونه‌برداری کرده و فاز سیگنال را تعیین کند. با انجام این کار برای حداقل چند آنتن، گیرنده می‌تواند زاویه ورود سیگنال فرستنده را محاسبه کند.
مشخصات هسته بلوتوث برای CTE بیان می‌کند که بسته CTE شامل یک دوره محافظ ۴ میکروثانیه، یک دوره بررسی ۸ میکروثانیه و چندین نمونه از آنتن است. هنگام دریافت بسته‌ای که پسوند تون ثابت AoA را دارد، گیرنده بر اساس یک الگوی تعویض از پیش تعریف‌شده بین آنتن‌ها جابجا می‌شود. در این فرآیند، گیرنده در طول دوره مرجع هر میکروثانیه یک نمونه IQ و در هر اسلات نمونه‌برداری یک نمونه IQ می‌گیرد.
تعیین زاویه ورود (AoA) با نمونه‌برداری فاز و جابجایی بین آنتن‌ها
سیگنال ارسالی توسط دستگاه بلوتوث کم‌مصرف دارای فرکانسی در حدود ۲۴۴۰ مگاهرتز است که طول موجی برابر با ۱۲ سانتی‌متر دارد. به طور خلاصه، زاویه می‌تواند با استفاده از فرمول زیر محاسبه شود.
θ = arcsin (ϕλ/2πd)
| Variable / متغییر | Description / تفسیر |
|---|---|
| λ | The wavelength of the CTE signal — طول موج سیگنال CTE |
| ϕ | The phase difference between the antennas — اختلاف فاز بین آنتن‌ها |
| d | The distance between the antennas — فاصله بین آنتن‌ها |
با این حال، در عمل مشکلات زیادی بروز می‌کند.
مشکلات در محاسبه زاویه ورود (AoA) و راه‌حل‌های آن
- اولین مشکلی که با آن مواجه شدیم تعیین زاویه ورود از یک منبع سیگنال در حالی بود که منابع دیگر به‌طور موازی عمل می‌کردند. تنها فراموش کرده بودیم که تجزیه بر اساس آدرس‌های MAC دستگاه‌ها را اضافه کنیم).
- سپس تلاش کردیم نمونه‌های IQ یک بسته داده را با فرکانس حدود ۱۰ هرتز پردازش کنیم، که برای تحلیل کامل کافی نبود و تصمیم گرفتیم داده‌های بیشتری را طی ۱۰ ثانیه جمع‌آوری کنیم (در عمل، ۱ ثانیه کافی است).
- حتی پس از حل این مشکلات، نتوانستیم بفهمیم که پرش‌ها در اختلاف فاز بین بسته‌های داده تصادفی از کجا می‌آیند. مشخص شد که این پرش‌ها مربوط به تغییر کانال‌های فرکانسی است که بلوتوث روی آن‌ها کار می‌کند (۳۷: ۲۴۰۲ مگاهرتز، ۳۸: ۲۴۲۶ مگاهرتز، ۳۹: ۲۴۸۰ مگاهرتز).
آزمایش‌ها
با وجود حل مشکلات، اختلاف فاز پایدار است اما نویز قابل توجهی دارد.
بنابراین، تصمیم گرفتیم از الگوریتم‌های دقیق‌تر MUltiple SIgnal Classification استفاده کنیم. رویکرد اصلی این الگوریتم تجزیه ماتریس کوواریانس سیگنال دریافت‌شده به مقادیر ویژه است. از آنجایی که این الگوریتم نویز غیرهمبسته را در نظر می‌گیرد، ماتریس کوواریانس تولیدشده قطری خواهد بود. در این روش، زیرمجموعه‌های سیگنال و نویز با استفاده از جبر خطی محاسبه می‌شوند و بر هم عمود هستند. بنابراین، الگوریتم از ویژگی عمود بودن برای جداسازی زیرمجموعه‌های سیگنال و نویز استفاده می‌کند.
به‌عنوان یک آزمایش، از یک جفت عنصر مجاور در آرایه آنتن خطی (به ترتیب شماره ۱۲ و ۱) استفاده کردیم، با منبعی که در موقعیت‌های مشخص‌شده با علامت‌های ضربدر آبی قرار داشت.
نتایج
با وجود مشکلات پیش‌آمده، در نهایت توانستیم دقت قابل قبولی معادل ۶ درجه به‌دست آوریم و می‌توانیم تجهیزات ارائه‌شده را برای استفاده بیشتر در موقعیت‌یابی داخلی توصیه کنیم. در آینده، قصد داریم زاویه دوم را به‌دست آوریم (برای این کار از یک آرایه آنتن خطی عمود دیگر با عناصر آنتن شماره ۱۰ و ۹ استفاده خواهیم کرد) و از هر دو زاویه (سمت و ارتفاع) برای محاسبه مختصات XY استفاده کنیم.
تفاوت روش‌های مبتنی بر RSSI و AoA
هر دو فناوری RSSI و AoA امکان تعیین موقعیت بر اساس بلوتوث® را فراهم می‌کنند، اما با هم تفاوت دارند. در حالی که AoA از زاویه ورود استفاده می‌کند، RSSI با اندازه‌گیری قدرت سیگنالی که توسط فرستنده‌های قرار گرفته روی دارایی‌های ردیابی‌شده ارسال می‌شود عمل می‌کند. عملکرد آن را می‌توان با امواجی که پس از پرتاب سنگ در آب ایجاد می‌شوند مقایسه کرد؛ ابتدا بزرگ هستند اما با افزایش فاصله کاهش می‌یابند.
کاربرد موقعیت‌یابی محلی مبتنی بر برآورد زاویه ورود (AoA)
موقعیت‌یابی مبتنی بر زاویه ورود (AoA) کارایی عملکرد بسیاری از شرکت‌های مدرن را افزایش می‌دهد. این فناوری بیشتر در حوزه‌های مراقبت‌های بهداشتی، لجستیک و صنعت کاربرد دارد.
لجستیک و انبارداری
پیاده‌سازی AoA امکان بهبود نظارت بر انبار و کنترل بهتر بر حرکت دارایی‌ها و کارکنان را فراهم می‌کند. با استفاده از سیستم‌های زاویه ورود، شرکت‌ها می‌توانند کالاها را دقیق‌تر ردیابی کنند، حرکت تجهیزات را دنبال کرده و به موقع به شرایط اضطراری واکنش نشان دهند. علاوه بر این، این فناوری کارایی فرآیندهای لجستیکی را افزایش داده و به مدیریت در بهینه‌سازی عملیات انبار کمک می‌کند.
صنعت
صنعت
شرکت‌های صنعتی می‌توانند از روش AoA برای کنترل مستمر دارایی‌ها، حمل‌ونقل، تجهیزات و افراد استفاده کنند. همچنین می‌توان از آن برای ایجاد مرزهای مجازی اطراف مناطق بالقوه خطرناک بهره برد که منجر به کاهش ریسک دسترسی غیرمجاز می‌شود.
به لطف دقت بالای موقعیت‌یابی (تا ۱۰ سانتی‌متر)، این فناوری به‌طور قابل توجهی ارسال مجدد موجودی و پشتیبانی از خدمات مدیریت کارکنان را ساده می‌کند. تجربه نشان داده است که پس از استفاده از روش زاویه ورود، بهره‌وری نیروی کار به‌طور متوسط ۳۰٪ افزایش می‌یابد و هزینه کلی مالکیت زیرساخت‌های ناوبری داخلی ۵۰٪ کاهش می‌یابد.
مراقبت‌های بهداشتی
استفاده از زاویه ورود بلوتوث® در مراکز پزشکی می‌تواند ناوبری در بیمارستان‌ها را ساده کرده و رضایت مشتریان را افزایش دهد. ناوبری داخلی مبتنی بر محاسبه زاویه ورود مزایای زیادی را فراهم می‌کند:
- جستجوی اتاق مورد نیاز برای بازدیدکنندگان را آسان‌تر می‌کند؛
- به ایجاد اعلان‌های شخصی‌سازی‌شده مبتنی بر موقعیت کمک می‌کند؛
- امکان نظارت بر حرکت تجهیزات، داروها (واکسن‌ها) و کارکنان را فراهم می‌کند؛
- به ردیابی حجم کار کارکنان بیمارستان کمک می‌کند؛
- کارایی عملیاتی را به دلیل بهبود مدیریت دارایی‌ها افزایش می‌دهد.
در توسعه سیستم‌های موقعیت‌یابی داخلی محلی، ناوگان از فناوری‌های پیشرفته متعددی از جمله روش برآورد زاویه ورود بلوتوث® استفاده می‌کند. پیاده‌سازی این فناوری امکان بهبود پلتفرم ناوبری و افزایش دقت موقعیت‌یابی تا ۱ سانتی‌متر را فراهم می‌کند.
اگر به زاویه ورود علاقه‌مند هستید، لطفاً فرم بازخورد را در وب‌سایت ما پر کرده یا یک جلسه آنلاین رایگان رزرو کنید.