Comparación de protocolos de comunicación en RTLS:ángulo de llegada frente a rango de fase

A medida que la industria de Internet de las cosas (IoT) continúa en auge, muchas empresas han comenzado a desarrollar sistemas de ubicación en tiempo real (RTLS) para casos de uso comercial. Hay varios protocolos que se pueden usar en RTLS para determinar la ubicación de un activo etiquetado. Algunas de las tecnologías más nuevas que se utilizan son el rango de fase y el ángulo de llegada (AoA). En este artículo, exploraremos ambas tecnologías, así como los beneficios y desventajas de cada una, como parte de un RTLS.

¿Qué es la tecnología de rango de fase?

El rango de fase determina la ubicación de una etiqueta de activo midiendo el desplazamiento de fase de ida y vuelta de las señales enviadas de la etiqueta a la baliza, en varias frecuencias diferentes. Esta información de fase se utiliza luego para inferir la distancia de ida y vuelta. Dado que los radios BLE de baja potencia pueden medir la fase con alta precisión, esta técnica permite la tecnología de rango a un costo mucho menor que los sistemas basados ​​en el tiempo (como UWB).

Una vez que la etiqueta ha medido rangos de al menos cuatro balizas (idealmente> 6), puede trilaterar su ubicación. Todo esto sucede en unos pocos cientos de milisegundos.

¿Qué es la tecnología de ángulo de llegada (AoA)?

De manera similar al rango de fase, AoA usa mediciones de fase para la ubicación; sin embargo, ahí es donde terminan las similitudes. En lugar de medir un rango de etiqueta a baliza, AoA estima una línea de rumbo desde una etiqueta a un localizador (un dispositivo que recibe señales de etiqueta). El localizador hace esto utilizando una matriz de antenas y cambiando entre elementos durante la recepción de la señal. Comparando los cambios de fase entre estos elementos, se puede calcular el ángulo de la señal entrante. Cuando varios localizadores reciben la señal de una etiqueta, la ubicación de la etiqueta se puede inferir estimando dónde se cruzan los "rayos" de cada localizador.

Explorando las diferencias

Ahora que tiene una comprensión general del rango de fase y el AoA, exploremos las funcionalidades clave, los beneficios y los inconvenientes de estos protocolos de comunicación RTLS.

1. Resolución

   En un sistema AoA, la resolución depende de la distancia desde el localizador. Esto se puede visualizar como radios en una rueda; cuanto más se aleje del buje, mayor será la distancia entre los radios. De manera similar, cuanto más lejos está una etiqueta AoA del localizador, más tosca se vuelve la resolución de la ubicación. Esto impone restricciones a la ubicación del localizador, p. Ej. no se pueden montar en techos demasiado altos. Por el contrario, la resolución del sistema de rango de fase es puramente una función del ancho de banda de la señal y es independiente del rango, por lo que las balizas simplemente deben colocarse para lograr una cobertura adecuada y proporcionar una buena geometría de rango para las etiquetas.

2. Costos

   Para medir ángulos, el localizador AoA requiere un conjunto de antenas de elementos múltiples personalizados relativamente grande. Debido a esta complejidad de hardware, AoA tiende a ser más caro que los sistemas de rango de fase. Las balizas de rango de fase pueden utilizar antenas omnidireccionales básicas (chip o integradas). La simplicidad comparativa de los componentes de rango de fase reduce los costos generales para el usuario.

3. Instalación

   El algoritmo comúnmente utilizado para calcular el AoA se llama MÚSICA (Clasificación múltiple de señales). Computacionalmente, este es un procedimiento intensivo; no es factible implementar MUSIC en la etiqueta de activo o el localizador. Esto requiere que cada localizador devuelva las muestras para procesarlas en un 'procesador de borde' o en la nube. Dada la cantidad de datos, la forma preferida de hacerlo es a través de conexiones Ethernet cableadas, lo que aumenta tanto el costo del localizador como la complejidad de la instalación. Las etiquetas de rango de fase, por otro lado, calculan su propia ubicación. No necesitan una infraestructura de backhaul extensa. Mediante el uso de un enlace de red de área amplia de baja potencia (LPWAN) para backhaul, no se requieren cables.

4. Trayectoria múltiple

   Cualquiera que se ocupe del seguimiento de activos en interiores sabe que los objetos metálicos pueden reflejar señales. Gran parte del trabajo realizado en Link Labs con sistemas de rango de fase ha sido minimizar el impacto de la reflexión. En este caso, AoA no es realmente comparable. Dado que el rango mide el tiempo de llegada de la señal, naturalmente discrimina el multitrayecto. En un sistema basado en ángulos, la trayectoria múltiple es más difícil de identificar. Aunque el algoritmo MUSIC puede ayudar a discriminar el multitrayecto, tiene una debilidad significativa:el algoritmo asume que las señales recibidas no están correlacionadas (en otras palabras, la señal no proviene de la misma fuente). Sin embargo, las reflexiones multitrayecto están altamente correlacionadas ya que son versiones retardadas de la misma señal. Esto requiere el uso de información complementaria, como la intensidad de la señal, para calcular una distancia aproximada a la etiqueta, pero las mediciones de rango basadas en la intensidad de la señal son notoriamente inexactas, especialmente a mayores distancias del localizador.

5. Precisión

La precisión es posiblemente la métrica más importante de un RTLS, pero también la más matizada. A modo de ejemplo, aquí se muestra una función de distribución acumulativa (CDF) de precisión de ubicación de un almacén que utiliza el sistema de rango de fases OnSite XLE de Link Lab.

El eje Y representa percentiles, p. ej. 0.5 =50% - y el eje X representa un parámetro - en este caso, precisión del sistema en metros

Para proporcionar expectativas realistas, especificamos la precisión del percentil 90 (es decir, la precisión que se logró el 90% del tiempo; estas son las estadísticas especificadas en la leyenda de la trama junto con la cantidad de balizas utilizadas en la corrección); en este ejemplo, es alrededor de 1,2 metros. Sin embargo, si usamos el percentil 50 como nuestra especificación, podríamos decir que tiene una precisión de 40 cm. Al comparar las especificaciones de precisión del sistema, es fundamental que la metodología subyacente sea la misma; de lo contrario, no es una comparación justa. Después de todo, observando el gráfico anterior, observe que algún porcentaje del tiempo milímetro se logró la precisión. Los proveedores de sistemas menos escrupulosos pueden optar por utilizar números de percentiles más bajos para que su sistema parezca más preciso de lo que es, por lo que siempre pregunte en qué condiciones se midió la precisión y qué parámetros estadísticos se utilizaron.

Rango de fase a través de AirFinder OnSite XLE

Comprender las diferencias entre Phase Ranging y AoA es vital al tomar una decisión sobre qué solución de seguimiento de activos implementar. Dicho esto, el rango de fase generalmente se considera la mejor tecnología en general. En Link Labs, nuestro AirFinder Onsite Xtreme Low Energy (XLE) utiliza la tecnología de rango de fase para brindar a los usuarios precisión sin comprometer la duración y el costo de la batería de la etiqueta. Para obtener más información sobre XLE, reserve una demostración hoy mismo.