כאשר אומצה טכנולוגיית Bluetooth Channel Sounding כחלק ממפרט הליבה 6.0, קבוצת העניין המיוחדת של Bluetooth (SIG) קבעה יעד דיוק של 0.5 מטר ברוב התרחישים. ללא שימוש באנטנות מרובות, השגת רמת דיוק זו מהווה אתגר עבור רוב התרחישים.
עם זאת, בדיקת ערוצי Bluetooth מסייעת לפתור בעיה זו בכך שהיא תהליך דו-כיווני של ניתוב מרחק, כאשר גם היוזם וגם המשקף משדרים ומקבלים בתורם sounding וחבילות. שניהם סימטריים למדי ביכולותיהם, מה שמחייב את שתי נקודות הקצה של התקשורת להבין את יכולות האנטנה ודפוסי המיתוג של זו כדי ללכוד נתונים במדויק, לנתח אותם ולקבוע מרחק יחסי.
כמו כל תכונה חדשה, המטרה של Bluetooth Channel Sounding היא למקסם את יכולת הפעולה ההדדית. סטנדרטיזציה של פתרון זה ומיתוג אנטנות היא קריטית כדי להבטיח תאימות בין מכשירים ולאפשר פריסה עולמית.
למה לתכנן מוצרים עם אנטנות מרובות?
שני התקנים אלחוטיים מתקשרים בצורה היעילה ביותר כאשר האנטנות שלהם מכוונות לתדר מסוים וללוחות יש קו ראייה ברור או מספיק כוח כדי להעביר דרך כל החומרים ומקורות ההפרעה בסביבה. קירות ומחסומים, כולל בני אדם, רצפות ותקרות, ואותות RF אחרים, כמו גם כיוון האנטנה היחסי, יכולים להשפיע על תקשורת זו.
בסביבות של מכשירים ניידים המופעלים על ידי סוללות, כיווני אנטנה מסוימים ייצרו ערכי אפס תלויי תדר והפחתות אמפליטודה חמורות, אשר עלולות לעצור לחלוטין את התקשורת.
בתקשורת תעבורה לוגית אסינכרונית מוכוונת חיבור (ACL) דרך חיבורי Bluetooth LE, ערכי null אלו עלולים לגרום לניסיונות חוזרים של חבילות ולניתוק חיבורים. ב-Bluetooth Channel Sounding, נתוני IQ ממדידות PBR יכילו מידע פאזה מעוות, מה שיוביל לשגיאה באלגוריתמי הערכת המרחק.
התקנים עם מספר כיווני אנטנה יכולים להחליף נתונים מבוססי פאזה עבור אותו ערוץ מכיווני אנטנה שונים, מה שמגדיל את הסבירות ללכידת נתוני IQ לא מעוותים המתארים את הערוץ.
נתוני IQ לא מעוותים מובילים להערכת מרחק מדויקת ביותר ולפתרון סופי טוב יותר.
על המתכננים לשקול הוספת אנטנה שנייה לתכנון Channel Sounding Bluetooth, אפילו בגורמי צורה מוגבלים. לוח הפיתוח EFR32xG24 Channel Sounding Bluetooth מספק דוגמת תכנון מבוססת שיטות עבודה מומלצות התומכת בשתי אנטנות בגורם צורה של פחות מ-x33 33מ”מ. גורם צורה זה גדול יותר ממה שיהיה מוצר סופי, מכיוון שלוח הפיתוח מציע מעגל ניפוי שגיאות מלא מובנה.
נדבר עוד על הלוח בהמשך, אבל ראשית בואו נדון כיצד Core Specification 6.0 למעשה תקני את השימוש באנטנות מרובות.
כיצד פועל מיתוג אנטנות לבדיקת ערוצים
ישנן שלוש דרכים בסיסיות בהן מיתוג אנטנות תוקן במפרט הליבה של Bluetooth 6.0.
- חילופי יכולות
- פעולת טווח מבוססת פאזה במצב 2
- חילופי מבנה נתונים של IQ
תמונה 1: Single Antenna cases
במהלך חילופי יכולות, ציוד היקפי מחובר מציין את מספר האנטנות והנתיבים הנתמכים המרביים שלו. נתיב אנטנה הוא המסלול מהאנטנה של לוח אחד לאנטנה של לוח אחר. ייתכן שחלק מההתקנים לא יתמכו בנתיבים מרובים עקב אילוצי תכנון או זיכרון.
לפני תחילת הליך מדידת ערוצים, הבקר בוחר תצורה ומשתף אותה עם המשקף כדי להבין את מספר נתיבי האנטנה ואת הסימטריה שלהם.
היוזם משדר sounding מכל נתיב אנטנה בתבנית המובנת על ידי המשקף, אשר לאחר מכן משדר sounding באותו ערוץ על פני אותו רצף של נתיבי אנטנה.
האלגוריתם ביוזם הערוץ שומר לאחר מכן את כל נתוני ה-IQ הספציפיים לנתיב האנטנה, אך לפני שהוא יכול לחשב מרחק, הוא זקוק גם לנתוני ה-IQ המתאימים של המשקף.
במהלך אחזור הנתונים מהמשקף ליזם, המתרחש דרך חיבור LE ACL, יש להעביר את נתוני ה-IQ עם מבנה נתונים מוגדר מראש. מבנה נתונים זה מוגדר גם כחלק מפרופיל הטווח, שאומץ מספר חודשים לאחר עדכון מפרט הליבה.
מעבדות הסיליקון תומכות בכל הפונקציונליות המתוארת לעיל עם פתרון סאונד ערוץ Bluetooth שלנו הפועל על EFR32 xG24. מחסנית ה-Bluetooth שלנו עברה הסמכה לעמוד בדרישות 6.0, והיישום שלנו של פרופיל הטווח מוכן להסמכה. ניתן להעריך את כל הפונקציונליות הזו באמצעות BRD2606.
אבל מה לגבי עיצובים שיש להם רק אנטנה אחת?
לא כל התכנונים יכולים לעמוד בכל נוהלי התכנון המומלצים, ופעולה עם נתיב אנטנה יחיד בין התקן A להתקן B עקב אילוצי לוח או עלות היא עדיין בחירה תכנונית תקפה. בעוד שזה עדיין מאפשר למכשיר לבצע בדיקת Bluetooth Channel Sounding, אמינות אלגוריתם הערכת המרחק עשויה להיפגע.
הבדיקה שלהלן בוצעה בסביבת משרד, היוצרת השתקפויות והפרעות מרובות נתיבים. בדיקות נערכו עם BRD2606, אך הפעילו רק אנטנה אחת לכל לוח, וכתוצאה מכך נתיב אנטנה יחיד.
בשמונה ניסויים אלה, שני לוחות היו במרחק של 11 מטרים זה מזה, ולוח אחד סובב כך שהאנטנות על הלוחות היו מקוטבות יחד או מקוטבות צולבת.
בבדיקה זו, האנטנה המקוטבת-צולבת הראתה את התוצאות הטובות ביותר, בדרך כלל +/-2 מטר. האנטנה המקוטבת-צולבת הציגה ביצועים גרועים יותר, כאשר רוב התוצאות הראו +/-3 מטר או יותר.
שימו לב שביצועים אלה עדיין אמינים בהרבה מניסיון למדוד מרחק באמצעות RSSI, שהייתה השיטה הסטנדרטית היחידה להערכת מרחק שהייתה זמינה לפני אימוץ Bluetooth Channel Sounding.
כפי שמוצג באיור שלהלן, כאשר שתי האנטנות על לוחות ה-2606 מופעלות, ויוצרות את 4 נתיבי האנטנה המקסימליים, התוצאות הופכות אמינות הרבה יותר, עם אי דיוק של עד מטר אחד עבור רוב המדידות. שימו לב שבבדיקות אלו, מקרה הבדיקה המקוטבת-צולבת בוצע באמצעות שני לוחות BRD2606 בעלי כיוון אופקי זהה, בעוד שמבחן הקוטבי-צולבת בוצע כאשר לוח אחד מכוון אנכית בעוד שהשני מכוון אופקית.
תמונה Co-polarized test case
עיצובים שבהם לפחות מכשיר אחד תומך באנטנות כפולות
יישומים רבים לבדיקת ערוצי Bluetooth נוטים לעקוב אחר מודל של “מאתר” / “תג”. במקרים אלה, צד המאתר הוא בדרך כלל נייח וגדול, אך עשוי להתמודד עם אתגרי דו-קיום ותחרות על מקום על הלוח מצד אנטנות אחרות.
צד התג, שסביר להניח נייד, עשוי להיות מוגבל אפילו מעבר לגורם צורה של שלט מפתח, מה שמקשה על תמיכה באנטנה כפולה. במקרים אלה, אנו רואים לפחות יתרון מסוים בתמיכה בשתי אנטנות או יותר בצד ה”מאתר” הנייח.
התרשים שלהלן מציג שלוש קבוצות נתונים שנאספו על ידי סיבוב BRD2606 עם אנטנה אחת פעילה, 10 מטרים מ-2606 שני עם שתי האנטנות פעילות. עבור רוב המרחקים המוערכים כאשר לוח אחד מסובב, אנו רואים כ-+/- 1 מטר של שגיאה, אך עם כמה חריגים משמעותיים.
למרות שזה אולי נראה מטריד, חשוב תמיד לשקול איזו רמת אמינות ודיוק טובה מספיק עבור יישום נתון. לדוגמה, גשש המחובר למשטח חכם בגודל 2-4 מטר מרובע שעוקב אחריו בחלל מחסן, לא בהכרח ידרוש את אותה רמת דיוק כמו יישום רכב עם כניסה פסיבית והפעלה פסיבית.
על ידי הפעלת האנטנה השנייה בלוח השני, הפעלת ארבעה נתיבי אנטנה, מניבה את השיפורים המשמעותיים הבאים בביצועים, כאשר כל התוצאות עבור שלוש ריצות בדיקה נמצאות בטווח של 0.5 מטר בדיוק.
תמונה 3: Two Antenna Paths
תמונה 4: 38 Channels – 4 Paths at 10m office env
למה לא תמיד להשתמש בארבעה נתיבי אנטנה?
כפי שמוצג בתוצאות לעיל ובבדיקות אחרות, ארבעה נתיבי אנטנה יספקו נתונים מדויקים יותר באופן אמין, ללא קשר לכיוון הלוח ולנסיבות הסביבתיות.
עם זאת, אילוצי לוח וגורמים אחרים כמו אילוצי צריכת אנרגיה וקצב עדכון או זמן אוויר RF עלולים להגביל את מספר האנטנות בהן משתמשת תכנון. שימוש באנטנות מרובות מגדיל את הזמן המושקע בכל שלושת שלבי מדידת הערוצים:
- במהלך טווח PBR, תמיכה באנטנות מרובות מגדילה את משך הזמן של כל שלב.
- במהלך העברת נתוני IQ מהמשקף למארח, היא מגדילה את גודל מבנה הנתונים המועבר דרך LE ACL.
- במהלך העיבוד, נתונים שנוצרים מנתיבים מרובים מגדילים באופן אקספוננציאלי את זמן ביצוע אלגוריתם הערכת המרחק.
הטבלה שלהלן מציגה את קצב העדכון ואת זמן הביצוע של אלגוריתם הערכת המרחק (בערך 24Q4-GA ב-SiSDK) כפונקציה של מספר האנטנות בהן נעשה שימוש. התאמנו את מרווח הערוצים בין 1 מגה-הרץ (72 ערוצים) ל-2 מגה-הרץ (37 ערוצים) כדי להראות כיצד גורמים מלבד מספר האנטנות משפיעים על קצב העדכון וזמן העיבוד.
מבוא לפלטפורמת הערכה של סאונד ערוץ Bluetooth BRD2606
כל הבדיקות בבלוג זה בוצעו באמצעות ערכת הפיתוח Bluetooth Channel Sounding BRD2606, הודות לפלטפורמת הערכה רב-תכליתית של Bluetooth Channel Sounding המציעה את התכונות הבאות:
- תמיכה באנטנה כפולה תוך יישום שיטות עבודה מומלצות בהתאם לכל ההנחיות שפורסמו.
- הפעלה אופציונלית באמצעות סוללה עם סוללת כפתור.
- גודל קטן לאב טיפוס ולשימוש במקומות מוגבלים.
- יכולות ניפוי שגיאות ופלט מסוף מובנות עם מעגלים מובנים.
- פעולה חלקה עם מחסנית 6.0 מותאמת SIG של Silicon Labs, התומכת ב-Bluetooth Channel Sounding, עם יישומים כלולים.
התחל עם אפליקציית Channel Sounding Bluetooth שלך
אנו כוללים גם מדדי ביצועים וכן מפרט API מלא עבור ספריית מדידת ערוצי Bluetooth שלנו באתר docs.silabs.com.
Silicon Labs מצפה לשחרר תכונות ושיפורים חדשים לפתרון מדידת הערוצים שלנו במחזורי הפיתוח הקרובים, כאשר אנו מכוונים את הביצועים כדי למזער את צריכת הזרם על ידי אופטימיזציה של זמן אוויר בתדר רדיו וזמן ביצוע האלגוריתם תוך שיפור הדיוק והחוסן.
תמונה 5: מערך אנטנות וביצועים
For more information:
Yossi Chen, Technical Manager, yossi@elina.co.il
