Comparando protocolos de comunicação em RTLS:ângulo de chegada vs. intervalo de fase

À medida que a indústria da Internet das Coisas (IoT) continua a crescer, muitas empresas começaram a desenvolver Sistemas de Localização em Tempo Real (RTLS) para casos de uso comercial. Existem vários protocolos que podem ser usados ​​em RTLS para determinar a localização de um ativo etiquetado. Algumas tecnologias mais recentes em uso são Phase Ranging e Angle of Arrival (AoA). Neste artigo, exploraremos ambas as tecnologias, bem como as vantagens e desvantagens de cada uma, como parte de um RTLS.

O que é tecnologia de intervalo de fases?

O intervalo de fase determina a localização de uma etiqueta de ativo medindo a mudança de fase de ida e volta dos sinais enviados da etiqueta para o farol, em várias frequências diferentes. Essas informações de fase são então usadas para inferir a distância de ida e volta. Como os rádios BLE de baixa potência podem medir a fase com alta precisão, essa técnica permite uma tecnologia de alcance a um custo muito menor do que os sistemas baseados em tempo (como UWB).

Uma vez que a tag tenha medido intervalos para pelo menos quatro beacons (idealmente> 6), ela pode trilaterar sua localização. Tudo isso acontece em algumas centenas de milissegundos.

O que é tecnologia de ângulo de chegada (AoA)?

Da mesma forma que a variação de fase, o AoA usa medições de fase para localização - no entanto, é aí que as semelhanças terminam. Em vez de medir uma faixa de tag a beacon, AoA estima uma linha de rumo de uma tag a um localizador (um dispositivo que recebe sinais de tag). O localizador faz isso utilizando um conjunto de antenas e alternando entre os elementos durante a recepção do sinal. Ao comparar as mudanças de fase entre esses elementos, o ângulo do sinal de entrada pode ser calculado. Quando o sinal de uma etiqueta é recebido por vários localizadores, a localização da etiqueta pode ser inferida estimando onde os 'raios' de cada localizador se cruzam.

Explorando as diferenças

Agora que você tem uma compreensão geral do intervalo de fases e do AoA, vamos explorar as principais funcionalidades, benefícios e desvantagens desses protocolos de comunicação RTLS.

1. Resolução
   Em um sistema AoA, a resolução depende da distância do localizador. Isso pode ser visualizado como raios em uma roda; quanto mais você se afasta do cubo, maior é a distância entre os raios. Da mesma forma, quanto mais longe uma tag AoA estiver do localizador, mais grosseira será a resolução da localização. Isso impõe restrições ao posicionamento do localizador, por exemplo, eles não podem ser montados em tetos muito altos. Em contraste, a resolução do sistema Phase Ranging é puramente uma função da largura de banda do sinal e é independente do intervalo, então os beacons simplesmente precisam ser colocados para obter uma cobertura adequada e fornecer uma geometria de bom alcance para as tags.

2. Custos
   Para medir ângulos, o localizador AoA requer um conjunto de antenas de vários elementos relativamente grande e personalizado. Por causa dessa complexidade de hardware, o AoA tende a ser mais caro do que os sistemas de intervalo de fases. Os beacons de alcance de fase podem usar antenas omni básicas (com chip ou integradas). A simplicidade comparativa dos componentes do intervalo de fases reduz os custos indiretos para o usuário.

3. Instalação
   O algoritmo comumente usado para calcular o AoA é chamado MUSIC (MUltiple SIgnal Classification). Computacionalmente, este é um procedimento intensivo - não é viável implementar MUSIC na etiqueta ou localizador de ativos. Isso requer que cada localizador faça backhaul de amostras para processamento em um 'processador de borda' ou na nuvem. Dada a quantidade de dados, a maneira preferida de fazer isso é por meio de conexões Ethernet a cabo, o que aumenta o custo do localizador e a complexidade da instalação. Tags de alcance de fase, por outro lado, calculam sua própria localização. Eles não precisam de uma ampla infraestrutura de backhaul. Através do uso de um link de rede de longa distância de baixa potência (LPWAN) para backhaul significa que nenhum cabo é necessário.

4. 
   Multipath
   Qualquer pessoa que lida com rastreamento de ativos internos sabe que objetos metálicos podem refletir sinais. Muito do trabalho realizado no Link Labs com sistemas Phase Ranging foi para minimizar o impacto da reflexão. Nesse caso, o AoA não é realmente comparável. Uma vez que o alcance mede o tempo de chegada do sinal, ele naturalmente discrimina caminhos múltiplos. Em um sistema baseado em ângulo, o multipercurso é mais difícil de identificar. Embora o algoritmo MUSIC possa ajudar a discriminar o multipercurso, ele tem uma fraqueza significativa:o algoritmo assume que quaisquer sinais recebidos não estão correlacionados (em outras palavras, o sinal não vem da mesma fonte). No entanto, as reflexões de multipercurso são altamente correlacionadas, uma vez que são versões atrasadas do mesmo sinal. Isso requer o uso de informações suplementares, como a intensidade do sinal, para calcular uma distância aproximada até a etiqueta, mas as medições de alcance baseadas na intensidade do sinal são notoriamente imprecisas, especialmente em distâncias mais profundas do localizador.

5. Precisão
   

A precisão é indiscutivelmente a métrica mais importante de um RTLS, mas também a mais sutil. Como exemplo, aqui está uma Função de Distribuição Cumulativa (CDF) de precisão de localização de um armazém usando o sistema OnSite XLE Phase Ranging da Link Lab.

o eixo Y representa percentis - por exemplo, 0,5 =50% - e o eixo X representa um parâmetro - neste caso, a precisão do sistema em metros

Para fornecer expectativas realistas, especificamos a precisão do 90º percentil (significando a precisão que foi alcançada 90% do tempo; essas são as estatísticas especificadas na legenda do gráfico junto com o número de beacons usados ​​na correção) - neste exemplo, é cerca de 1,2 metros. No entanto, se em vez disso usássemos o 50º percentil como nossa especificação, poderíamos dizer que ele tem uma precisão de 40 cm. Ao comparar as especificações de precisão do sistema, é crucial que a metodologia subjacente seja a mesma, caso contrário, não é uma comparação justa. Afinal, olhando para o gráfico acima, observe que alguma porcentagem do tempo milímetros precisão foi alcançada. Fornecedores de sistemas menos escrupulosos podem escolher usar números percentuais mais baixos para fazer seu sistema parecer mais preciso do que realmente é - portanto, sempre pergunte sob quais condições a precisão foi medida e quais benchmarks estatísticos foram usados.

Faixa de fases por meio do AirFinder OnSite XLE

Compreender as diferenças entre Phase Ranging e AoA é vital ao tomar uma decisão sobre qual solução de rastreamento de ativos implementar. Dito isso, o Phase Ranging é geralmente considerado a melhor tecnologia geral. No Link Labs, nosso AirFinder Onsite Xtreme Low Energy (XLE) usa a tecnologia Phase Ranging para fornecer precisão aos usuários sem comprometer a vida útil da bateria e o custo da etiqueta. Para obter mais informações sobre o XLE, reserve uma demonstração hoje.