Bluetooth Direction Finding : Application to Local Positioning

Abstract

Viime vuosina paikallinen, tai sisätilan, paikannus tilanteisiin, joihin satelliittipohjaiset paikannusjärjestelmät eivät sovellu, on ollut suuren mielenkiinnon kohteena. Tarvetta tällaiselle paikannusjärjestelmälle on esimerkiksi teollisuuden, logistiikan, kaupan alan ja julkisen sektorin toimijoilla. Käyttökohteet vaihtelevat aina konttien seuraamisesta konttisatamassa ihmisten paikantamiseen kauppakeskuksessa. Erilaisia kaupallisia ratkaisuja on kyllä olemassa, mutta uusille kustannustehokkaille, tarkoille, helposti käyttöönotettaville ja helposti ylläpidettäville järjestelmille on selvää kaupallista tarvetta. Nykyiset Bluetooth-pohjaiset paikannusjärjestelmät tuottavat sijaintitiedon pääasiassa signaalin voimakkuuden perusteella, ja tällä tekniikalla saavutettava sijaintitieto ei usein ole riittävän luotettavaa ollakseen hyödyksi. Bluetooth 5.1 -standardi esittelee radiosignaalin saapumissuunnan tunnistamisen mahdollistavan tekniikan. Tämän tekniikan tarkoitus on parantaa Bluetooth-pohjaisten järjestelmien käyttövalmiutta sisätilapaikannuksessa. Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia sisätilapaikannusta ja radiosignaalin saapumiskulman tunnistamisen mahdollistavaa tekniikkaa. Työ aloitettiin tekemällä selvitys olemassa olevista sisätilapaikannustekniikoista. Selvityksessä selvitetään eri tekniikoiden perusteet, ja esitellään joitain suureita järjestelmän käyttökohteeseen soveltuvuuden arvioimiseen. Työtä varten tutustuttiin myös pintapuolisesti muutamaan kaupalliseen sisätilanpaikannusjärjestelmään. Bluetooth 5.1 -standardissa esiteltyä kulmantunnistustoiminnallisuutta toteutettaessa tulee toteuttaa myös algoritmi, jolla saadaan suodatettua pois signaalin monitie-etenemisen aiheuttamat häiriöt. Tämän vuoksi työssä esitellään myös kolme erityyppistä antenniryhmään saapuvan signaalin amplitudin ja vaihe-erojen mittaamiseen perustuvaa saapumiskulmantunnistusalgoritmia, ja vertaillaan algoritmien tarkkuutta ja suoritusmonimutkaisuutta. Käytännön mittaukset tehtiin U-Bloxin valmistamalla kehitysalustalla, joka koostuu yhdestä Bluetooth-majakasta, yhdestä antenniyksiköstä ja tarvittavasta ohjelmistosta. Järjestelmällä pystyttiin tekemään mittauksia, joilla todennettiin järjestelmän kulman mittaamisen tarkkuutta. Työn tuloksista merkittävimpinä voidaan pitää käytännön mittauksissa havaittua kulman riippuvuutta Bluetooth-kanavasta, sekä kehitysalustalla käytössä olleen algoritmin voimakasta riippuvuutta Bluetooth-majakan mainostusintervallista.

In recent years local, or indoor, positioning for situations where satellite-based positioning systems are not suitable has been the subject of great interest. There is a need for such a positioning system for example for operators in industry, logistics, trade and the public sector. Applications range from tracking containers in a container harbour to locating people in a shop-ping mall. Various commercial solutions do exist, but there is a clear commercial need for new cost-effective, accurate, easy-to-implement and easy-to-maintain systems. Current Bluetooth-based positioning systems generate location information mainly based on signal strength, and the location information achieved with this technology is often not reliable enough to be useful. The Bluetooth 5.1 standard introduces a technology that enables the determining of the direction of arrival of a radio signal. The purpose of this technology is to improve the usability of Bluetooth-based systems for indoor positioning. The aim of this thesis was to investigate indoor positioning and the technology enabling the determining of the angle of arrival of the radio signal. The first step was to make a survey of existing indoor positioning technologies. The basics of the different techniques are explained in this thesis, and some parameters for evaluating the suitability of the system for the intended use are presented. A few commercial indoor positioning systems are also superficially introduced in this thesis. When implementing the direction finding operationality introduced in the Bluetooth 5.1 standard, an algorithm must also be implemented to filter out noise caused by multipath propagation of the signal. For this reason, three angle-of-arrival detection algorithms based on measuring the amplitudes and phase differences of signals arriving at an antenna array are presented in this thesis, and the accuracy and computational complexity of the algorithms are compared. The measurements were made on a development platform made by U-Blox, which consists of one Bluetooth beacon, one antenna unit, and software for both the beacon and the antenna unit. Measurements were made with the system, which were used to study the accuracy of the system's angle determining. The most significant result can be considered to be the discovery of the dependence of the determined angle of the Bluetooth channel, as well as the strong dependence of the algorithm used on the development platform on the advertising interval of the Bluetooth beacon.