Все больше устройств отслеживают свое местоположение в современном мире. Несмотря на то, что геолокация все еще наиболее популярна в приложениях для смартфонов, особенно с точки зрения GPS, а в настоящее время и в помещениях, она проникает в самые разные устройства — от беспроводных игрушек до потребительских беспилотников, от цепочек для ключей, которые нужно найти, до отслеживаемых тележек в супермаркете. Ключевые слова, используемые для описания этих устройств, включают в себя интернет вещей, интеллектуальные устройства носимых компьютеров, устройства для умного дома, подключенные устройства и другие. Общим элементом среди них всех является желание отслеживать свое местоположение.
Разработчики устройств с необходимостью отслеживания местоположения, сталкиваются с проблемой выбора правильной технологии. Является ли Wi-Fi или Bluetooth лучшим выбором из-за их массового применения в мобильных устройствах? Или новые радиотехнологии имеют преимущество? Какие компромиссы могут быть?
Отслеживание местоположения с помощью Bluetooth
Отслеживание местоположения на основе Bluetooth привлекло большое внимание после презентации Apple своей технологии iBeacon (маяк). Если Apple использует Bluetooth для определения местоположения в помещениях (в частности, Bluetooth Low Energy или BLE), разве это не лучший подход?
Во-первых, важно отличать iBeacons и их роль, а именно обнаружение расстояния, от более общей проблемы измерения местоположения и расстояния. Датчик приближения — это когда устройство обнаруживает, что оно находится в пределах досягаемости другого устройства, например, когда телефон входит в радиус действия маяка. Обнаружение близости не требует измерения расстояния; скорее это требует только обнаружения устойчивого сигнала. Некоторые из этих систем различают нахождение «в зоне действия» маяка и «близость» к маяку, различая слабые и сильные уровни сигнала. Тем не менее, это не то же самое, что измерение точного расстояния или места положения.
Некоторые компании подняли технологию BLE на следующий шаг, используя сигналы BLE для измерения расстояния между телефоном и маяком. Они измеряют уровень сигнала и преобразуют его в расстояние. Проблема такого подхода, конечно же, заключается в том, что уровень сигнала является плохим показателем расстояния. Если уровень сигнала низкий, значит ли это, что телефон находится далеко от маяка, или что между маяком и телефоном находится, например, колонна?
Одно из решений последней проблемы заключается в подходе, называемом «дактилоскопия». Маякам, установленным в фиксированных местах, проводят измерения уровня сигналов и записывают эти данные в базу данных. Эти наборы уровней сигнала сохраняются в базе данных «отпечатков пальцев». Затем, если устройство хочет определить свое местоположение, оно может сравнить набор измеряемых в настоящее время уровней сигнала с базой данных, и предполагается, что самое близкое совпадение максимально близко к текущему местоположению.
«Дактилоскопия» имеет много вариантов реализации, которые используют алгоритмы с различным спектром сложности. Однако важно помнить, что эти системы работают с неспособностью Bluetooth точно измерять расстояние — они действительно не решают проблему измерения расстояния.
Отслеживание местоположения с помощью Wi-Fi
До того, как Apple сделала ставку на BLE в области определения местоположения внутри зданий, наиболее распространенными радиосигналами для определения местоположения в помещениях был Wi-Fi. На сегодняшний день они являются наиболее распространенными сигналами, используемыми для технологий определения местоположения внутри помещений, работающих на телефонах Android, которые часто используются в сочетании с BLE. Основным преимуществом Wi-Fi является его распространенность в большинстве общественных или частных помещениях.
Общий подход к оценке расстояния или местоположения с помощью сигналов Wi-Fi заключается в измерении уровня сигнала, как обсуждалось выше для Bluetooth. Уровень сигнала — самая легкодоступная информация Wi-Fi на смартфонах и мобильных устройствах. Но оценка расстояния по силе сигнала страдает от тех же проблем, что и для Bluetooth. Некоторые компании разработали альтернативные алгоритмы, пытаясь измерить расстояние более точно, используя время прохождения (ToF) или время прибытия (ToA) сигналов Wi-Fi, но это не может быть сделано простым способом с использованием стандартного аппаратного обеспечения Wi-Fi.
Трудность точного измерения при получении радиосигнала Wi-Fi или Bluetooth обусловлена структурой узкополосных радиоволн. Когда сигнал пересекает заданный порог, узкополосная радиоволна с обычным шумом (рисунок выше) демонстрирует, насколько трудно может быть точное измерение. По мере того, как сигнал распространяется скачкообразно в виде волны, похожей на синусоидальную, выбор порога для измерения становится достаточно сложным; крошечные возмущения от шума только затрудняют постоянное измерение. Излишне говорить, что узкополосные системы не являются самыми простыми в использовании, когда пытаются добиться согласованного прямого измерения полученного сигнала.
Этот эффект еще более усиливается при наличии отражений сигнала и многолучевых эффектов, которые обычно встречаются в повседневной среде. Отражение заставляет импульс радиодиапазона отражаться и частично подавлять исходный сигнал (рисунок выше). Это означает, что помехи и эффекты многолучевого распространения не только ослабят сигнал, но и повредят его целостность. Это, вероятно, не повредит полезной нагрузке передаваемой информации, но ухудшит способность измерять начало и конец сигнала (рисунок ниже).
Медленно нарастающий фронт узкополосного сигнала делает его очень чувствительным к помехам. Таким образом, он изменяет сигнал, затрудняя точную оценку того, когда сигнал пересекает пороговое значение, используемое для измерения времени прохождения сигнала.
Отслеживание местоположения с использованием сверхшироких полос (UWB)
Новые стандарты сверхширокополосных (СШП или на английском UWB ) радиосигналов были разработаны для решения этой проблемы. Новый стандарт IEEE 802.15.4-2011 использует радиоволны с очень короткими импульсными передачами (рисунок ниже). Короткие всплески сигналов с резкими изменениями амплитуды упрощают измерение начала и конца сигналов. Это означает, что расстояние между двумя UWB-устройствами можно точно измерить, измерив время, необходимое для прохождения радиоволны между двумя устройствами. Он обеспечивает гораздо более точное измерение расстояния, чем оценка уровня сигнала.
Что еще более важно, сверхширокополосные сигналы сохраняют свою целостность и структуру даже при наличии шумовых и многолучевых эффектов. Как показано на рисунке ниже, природа шума не вредит отличительной особенности короткого сигнала. Кроме того, из-за короткого импульса эффекты многолучевого распространения обычно не перекрываются с истинным сигналом, что не нарушает целостность и силу сигнала, несущего в себе важную информацию.
Узкополосный сигнал очень чувствителен к многолучевости, поскольку отраженный сигнал (красный) изменяет прямой сигнал (синий), который изменяет форму результирующего сигнала (зеленый). Это, в свою очередь, изменяет время, когда сигнал пересекает порог, используемый для измерения времени прохождения сигнала.
Это различие в структуре радиосвязи означает, что СШП радиоволны могут быть измерены намного точнее, с четко определенными началом и концом и с малой погрешностью от многолучевых эффектов.
На практике СШП сигналы способны эффективно измерять расстояние между двумя устройствами с точностью 5–10 см по сравнению с точностью около 5 м для Wi-Fi и Bluetooth. При реализации в системе фиксированных меток, для отслеживания местоположения, местоположения могут быть рассчитаны с точностью до 10 см.
Исследование вариантов
Преимущества точности СШП очевидны: СШП может измерять расстояние и местоположение с точностью до 5-10 см, в то время как Wi-Fi, Bluetooth и другие узкополосные радиосистемы могут достигать точности только в несколько метров. Каковы другие компромиссы между различными системами?
Современные СШП системы обеспечивают скорость передачи данных от 6 до 8 МБ / с, которая находится между Wi-Fi и Bluetooth. UWB предыдущего поколения обеспечивает гораздо более высокие скорости передачи данных, до 100 МБ / с, но требования к питанию и диапазон расстояний делают его непрактичным для использования в мобильных устройствах. Хотя сегодняшнего СШП может быть недостаточно для потоковой передачи видео высокой четкости, этого достаточно для данных датчиков, потоков с камер видеонаблюдения, инструкций и тому подобного.
Сверхширокополосные системы потребляют значительно меньше энергии, чем Wi-Fi, хотя Bluetooth 4.0 также использует чрезвычайно низкое энергопотребление. Это, конечно, является ключевым фактором для мобильных устройств и другой мелкой электроники с точки зрения времени автономной работы и практического использования.
Очевидно, что одним из доводов против использования СШП является то, что устройства с поддержкой Wi-Fi и Bluetooth лучше взаимодействуют с современными смартфонами и планшетами. Тем не менее, некоторые компании внедряют СШП, создавая устройства, которые используют как сверхшироколосной спектр, так и Wi-Fi или Bluetooth, чтобы получить лучшее из обоих миров.
Что дальше?
В то время как смартфоны и планшеты сфокусировали на себе практически все наше внимание, разработка электроники все больше перемещается к следующему поколению малых устройств, которые включают носимые устройства и интернет вещей. Размеры электронных устройств постоянно уменьшаются — от размеров «с коробочку» до размера карманных или наручных часов, и, соответственно, требования к мощности и размеру становятся все более важными. В то же время требования к скорости передачи данных зачастую менее значительны — небольшие устройства, как правило, отправляют и получают данные и инструкции от датчиков, а не видео высокой четкости, которое обычно отправляется на большие экраны.
Все чаще разработчики носимых устройств и устройств интернет вещей также хотят иметь возможность точно отслеживать местоположение. Некоторые устройства предназначены для поиска другими устройствами; некоторые передвигаются (например, роботы) и должны знать, где они находятся, чтобы не врезаться в стены; некоторые выполняют различные действия в зависимости от своего местоположения (например, включение радио при входе в комнату); некоторые разработаны, чтобы знать, как далеко они от других устройств; а некоторые хотят отслеживать свое местоположение по другим новым и инновационным причинам. Независимо от причины, технология СШП дает устройствам возможность более точно отслеживать их местоположение, чем Bluetooth или Wi-Fi, с меньшими требованиями к мощности и размеру.
Точное отслеживание местоположения также важно для роботов следующего поколения. Робот, движущийся через дверной проем, должен быть уверен, что он пройдет через него, не задев и не повредив боковые стороны двери. Точность определения местоположения на уровне метра просто недостаточна для перемещения через дверной проем. Те же параметры действительны для относительно молодого рынка БПЛА.
Выводы
Для разработчиков электроники, которым необходимо очень точное измерение местоположения, с точностью до 5-10 см при небольших размерах и требованиях к мощности, на рынке мало вариантов, кроме современных сверхширокополосных систем. СШП в настоящее время находится в невыгодном положении, поскольку его не поддерживают современные смартфоны и мобильные устройства, но, вероятно, это изменится в течение следующих нескольких лет. Для устройств интернет вещей, носимых устройств и роботов сверхширокополосной мониторинг местоположения обещает гораздо большую точность определения местоположения по сравнению с другими беспроводными системами.
