Artículo técnico sobre la tecnología bluetooth escrito por Felix Graf, Product Sales Manager Wireless de Rutronik
La Especificación Bluetooth Core Versión 5.1 ofrece una función de “búsqueda de direcciones – direction finding” con reconocimiento de dirección y detección de posición con una precisión de hasta 1 cm. Por lo tanto, Bluetooth dota de un buen número de avances al sector del automóvil y a los servicios de localización en interiores y continúa demostrando los beneficios de sus nuevas características no sólo en aplicaciones de consumo, sino también, por primera vez, en una tecnología práctica para entornos industriales y condiciones adversas.
Con la última generación de la tecnología Bluetooth Low Energy, Core Specification 5.1 (disponible aquí), el Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) ha allanado el camino para poder disfrutar de unos servicios de localización todavía más precisos y basados en el estándar Bluetooth ampliamente usado. ABI Research estima que un total de 431 millones de productos con suporte de servicios de ubicación de Bluetooth serán vendidos en 2023 [Bluetooth Market Update 2019].
Aparte del conocido cálculo de distancia basado en RSSI, la nueva Core Specification incluye una función de “búsqueda de direcciones – direction finding” que permite determinar la dirección desde la que llega una señal. Esto también ayuda a beneficiarse de un posicionamiento muy preciso (de unos pocos centímetros) y proporciona un amplio número de posibilidades en aplicaciones de consumo e industriales.
El nRF52811 de Nordic Semiconductor, que es uno de los primeros System-on-Chips (SoC) del mercado en contar con la calificación v5.1, soporta el uso de la nueva función de “búsqueda de direcciones” y ya se encuentran disponible a través de Rutronik.
Soluciones de proximidad y sistemas de posicionamiento
Los servicios de localización basados en Bluetooth encajan bien en dos categorías conocidas como soluciones de proximidad y sistemas de posicionamiento.
Las primeras suelen ser aplicaciones sencillas que se pueden utilizar para ofrecer la distancia aproximada entre dos dispositivos – a menudo, teléfonos móviles inteligentes – que se encuentran cerca. En la actualidad, las soluciones de proximidad normalmente abarcan soluciones de información de punto de interés (POI) en, por ejemplo, comercios o museos: cuando los usuarios se acercan a un POI, reciben información detallada de diversos objetos.
Muchas funciones de búsqueda de objetos cotidianos también se fundamentan en el concepto de solución de proximidad. En estas aplicaciones, una etiqueta de baliza se ubica en el objeto que va a ser buscado (llavero, palé, etc.) y puede ser localizada usando un terminal móvil inteligente. En algunos casos, las señales visuales y acústicas de la etiqueta también se pueden controlar mediante el smartphone.
Los sistemas de posicionamiento, en el otro lado, determinan la localización física de objetos individuales en un sistema cerrado – por ejemplo, un área definida espacialmente con claridad como un almacén, un museo o zonas de facturación y embarque en aeropuertos. Las aplicaciones más habituales se encuentran en sistemas de localización en tiempo real (RTLS) y sistemas de posicionamiento en interiores (IPS).
Los RTLS se pueden usar a la hora de rastrear diversos objetos – personas o mercancías – con las correspondientes etiquetas fijadas en un sistema cerrado. La etiqueta envía regularmente una señal de baliza que se registra a través de los localizadores instalados de forma permanente. Si al menos tres de estos localizadores reciben la señal, un backbone de motor de localización establece la posición aproximada de la etiqueta por un método de trilateración. Se aplica lo siguiente: cuanto más rápido se mueve el objeto a rastrear, mayor es la necesidad de una señal de baliza frecuente por parte de los localizadores. Por ejemplo, los RTLS resultan idóneos en tareas de localización y seguimiento de equipos, palés o personas en el interior de un almacén.
Los sistemas de posicionamiento en interiores son comparables al sistema GPS, pero, como su nombre indica, también se pueden utilizar en interiores. Para poder hacerlo, las balizas de localizador envían señales con asiduidad que, por ejemplo, son recibidas por un terminal inteligente, que calcula su posición relativa en función de la distancia a las balizas individuales. Esto resulta de gran ayuda para que los pasajeros y los visitantes puedan seguir navegando en aeropuertos o centros comerciales.
Hasta ahora, todos los sistemas de localización Bluetooth se han basado en una estimación de la distancia usando el indicador de fuerza de la señal recibida (conocido como RSSI). Para este propósito, los transmisores, por ejemplo, iBeacon (Apple) o Eddystone (Android), mandan un valor de potencia de referencia, aparte del contenido de su señal, que indica la fuerza de la señal transmitida a un punto definido y a una distancia fija del transmisor. Utilizando esta información y la fuerza de la señal medida, el receptor determina con precisión su distancia a la baliza que se encuentra a unos pocos metros (~1 m – 10 m).
Un array de antena permite la búsqueda de direcciones
Una de las grandes novedades en la tecnología Bluetooth 5.1 es la función de búsqueda de direcciones que permite a los usuarios calcular la dirección de la señal aparte de la distancia. Las soluciones de proximidad tradicionales también se benefician de esta característica, ya que la dirección de una seña recibida es un aspecto esencial de la información y facilita en gran medida, por ejemplo, la búsqueda de un objeto.
Esta función es posible en modo LE 1M PHY (capa física) y LE 2M PHY, pero no en LE Coded PHY. Por consiguiente, Bluetooth 5.1 todavía no ofrece una búsqueda de direcciones en el modo operativo de 500 y 125 kbps.
Para comprobar la dirección de una señal, el receptor (ángulo de llegada – angle of arrival, AoA) o el transmisor (ángulo de salida – angle of departure, AoD) de una señal de localización debe tener un array de antena fijo. En ambas arquitecturas el receptor usa la diferencia de fase de varias señales para calcular la dirección de la que proviene la señal por medio de una muestra IQ (en fase y cuadratura). Una muestra IQ contiene la amplitud y la fase de la señal recibida. Los datos se transmiten desde la radio al nivel de aplicación, que entonces hace uso de los algoritmos para determinar la dirección.
Sin embargo, los algoritmos de búsqueda de direcciones no forman parte de la Bluetooth Core Specification 5.1. Se pueden conformar al triangular uno o más ángulos establecidos por AoA o AoD y la distancia calculada por la RSSI. Así, el usuario puede localizar una ubicación con un elevado grado de precisión, medida en centímetros.
AoA para rastreo y AoD para navegación en interiores
En una aplicación AoA, el transmisor es una baliza con una antena, como un teléfono móvil o una etiqueta de pequeño tamaño y bajo coste. Algunos de los localizadores instalados permanentemente, cada uno de los cuales cuenta con un array de antena complejo, determinan la dirección de la que reciben la señal. Las aplicaciones AoA están particularmente indicadas en el rastreo de objetos (RTLS) en, por ejemplo, centros de producción o almacenes automatizados. También contribuyen a aumentar la precisión junto al uso de balizas en el punto de interés. Y, al contar con localizadores instalados de manera permanente, es muy probable que estas aplicaciones AoA se pueden usar en sistemas con conexiones orientadas a la comunicación.
Una aplicación AoD usa el array de antena en el transmisor de una señal de baliza para enviar la señal sucesivamente mediante varias antenas. En este caso, el receptor, con total seguridad un teléfono móvil en el futuro tiene una antena a la que llegan varias señales, una tras otra. Si el receptor conoce la distribución de los arrays de antena, puede usar la muestra IQ para determinar la dirección de la señal recibida. Si también se sabe la ubicación de las balizas, el localizador puede calcular su posición relativa con respecto a los transmisores. Esto hace que las aplicaciones AoD resulten ideales en sistemas de posicionamiento en interiores (IPS) que permiten una navegación sencilla, como sucede en aeropuertos. A diferencia de los IPS previos, los usuarios ahora no sólo reciben su posición, sino también una dirección que indica dónde está el objetivo y, al contrario de las aplicaciones AoA, la arquitectura AoD es más apropiada en situaciones basadas en una comunicación sin conexión.
Diseño de un array de antena con tecnología Bluetooth
Independientemente de la arquitectura usada, un factor esencial para lograr el éxito de la función de búsqueda de direcciones se encuentra en el número y el diseño de las antenas. Los diseños sencillos y lineales permiten calcular un solo ángulo, mientras que los diseños más complejos en tres dimensiones ayudan a determinar los ángulos horizontales y verticales (acimut y elevación). El Bluetooth SIG todavía tiene que especificar o recomendar los diseños de antena. No obstante, esto cambiará probablemente con el futuro lanzamiento de especificaciones de perfil en los nuevos servicios de localización.
Para determinar la dirección de la señal, una cadena adicional de símbolos binarios [“0” o “1”], conocida como la “extensión de tono constante” (CTE), se incorpora al paquete BLE. Esto posibilita que el receptor recopile los suficientes datos IQ para llevar a cabo la búsqueda de dirección. Y para garantizar la máxima precisión posible, se beneficia de la capacidad de limitarse a una longitud de onda. Sin embargo, la modulación “0” y “1” en un canal Bluetooth se basa en la modulación de frecuencia. Como resultado, la CTE sólo envía una serie de símbolos, cada uno de los cuales representa un binario. La CTE se fija en el extremo de un paquete tras la comprobación de redundancia cíclica (CRC) y, por lo tanto, no afecta a dicha revisión ni influye en el código de integridad (MIC) de un mensaje encriptado.
A la hora de mejorar la calidad de una señal y evitar cualquier impacto negativo en el localizador, las cadenas largas de símbolos idénticos (por ejemplo, los unos) se suelen codificar en un proceso denominado whitening (blanqueamiento de la señal). La CTE, en el otro lado, no se somete a este proceso con la intención de mantener la máxima precisión posible.
Bluetooth 5.1 tiene un enorme potencial
Con la introducción de la última generación de la Bluetooth Core Specification 5.1, que incluye la función de búsqueda de direcciones, el Bluetooth SIG ha dado un gran paso para respaldar la llegada de servicios de localización más precisos que puedan proporcionar avances significativos en una amplia variedad de escenarios de aplicación.
No obstante, para poder aprovechar este potencial, hay que tener en cuenta algunos aspectos.
Un escenario de aplicación ideal debe minimizar las reflexiones y las interferencias multi-path, como es el caso de un sistema cerrado con un número suficiente de sensores de posición instalados permanentemente que tienen un campo visual continuo a la etiqueta.
La tecnología Bluetooth 5.1 se debe integrar en todos los teléfonos móviles estándares con el objetivo de hacer viable la navegación en interiores a través de la tarjeta. Al usar dichos smartphones, también hay que prestar mucha atención a la polarización, ya que su orientación es difícil de controlar. Debido al espacio limitado en el interior de los terminales móviles, resulta muy probable que en el futuro sólo cuenten con una antena. Por lo tanto, los teléfonos sólo se podrán usar como transmisores en aplicaciones AoA o como localizadores en aplicaciones AoD.
Fuentes para este arículo técnico sobre la tecnología Bluetooth:
- Bluetooth Core Specification 5.1 Enlace
- Enhancing Bluetooth Location Services Enlace
- A Technical Look at Direction Finding Enlace
- Bluetooth Market Update 2019, ABI Research Enlace
