What is BLE, how it works and what it is for
BLE technology
What is BLE technology?
Tra le tecnologie wireless che hanno rivoluzionato il mondo del tracking e della gestione dei flussi, troviamo ancheBluetooth Low Energy (BLE). Introdotto ufficialmente nel 2010 come parte dello standardBluetooth 4.0, promosso dal Bluetooth Special Interest Group (SIG), fu la risposta alle esigenze del mercato, che richiedevano dispositivi attivi sempre più piccoli e capaci dioperare per lunghi periodi di tempo.L’importante contro della tecnologia Bluetooth è infatti sempre stato il grande consumo energetico, dovuto alla connessione continua tra dispositivi.
Since the publication of Bluetooth 4.0 standard, the technology evolved substantially. The latest innovations are enclosed in standard Bluetooth 5.1 / 5.2 / 5.3 (the latest published in 2022), with the introduction of Angle of Arrival (AoA) and Angle of Departure (AoD) and multi-stream connection support.
Bluetooth vs BLE
"Classic" Bluetooth (also referred to as BR/EDR - Basic Rate/Enhanced Data Rate) is designed for high-speed, continuos communication of a data stream; as a consequence, its energy consumption is very high.
Il BLE viene progettato per essereenergeticamente efficiente, senza rinunciare al contempo a unaconnessione affidabilesu distanze tipiche del Bluetooth (da pochi metri fino a decine di metri in campo aperto) e unagrande scalabilità.
Data elaboration
Information about tags can be retreived with BLE: presence, distance, direction of movement. The fact that this information can be obtained is an intrinsic feature of BLE technology.
Network topology
A differenza del bluetooth BR/EDR classico, che prevede una comunicazione continua e uno scambio dati solopoint-to-point(comunicazione tra dispositivi 1:1), il bluetooth LE permette anche la comunicazionebroadcast(one-to-many 1:m) emesh networking(many-to-many m:m)
Communication efficiency
Mentre con il Bluetooth BR/EDR la comunicazione è continua e viene scambiato uno stream di dati, con il Bluetooth LE i dati sono scambiati inpacchetti in modo intermittente; ciò garantisce lagrande efficienza energetica.
How it works
Bluetooth Low Energy è una tecnologia a radiofrequenza che opera a2.40 GHznella banda ISM (Industrial, Scientific and Medical), trasmette dati su 40 canali a intervalli di 2MHz. Analogamente alla tecnologia RFID, anche i sistemi BLE si compongono di un dispositivo fisso che raccoglie i dati – il gateway – e di elementi traccianti attivi, chiamati tag o beacon, che sono associati all’asset di interesse e hanno le forme più diverse per rispondere a ogni esigenza. I dati poi sono elaborati da un software che permette a seconda della necessità di rilevare o localizzare il tag.
Components
A BLE system consists of the following elements:
- TAG- a tag is any active radiofrequency device that in classic BLE and AoA systems transmits data to the gateway, while receiving in AoD systems. In the former case, tags can be beacons - bracelets or plates - while in the latter they can be smartphones and devices that can process data. Every tag is uniquely identified by a unique code and can be integrated with built-in sensors and buttons.
- Anchor (or gateway or locator)- it is the component that in classic BLE and AoA receives data from the tag, while receiving in AoD. They can integrate a single BLE antenna or an antenna array (AoA/AoD).
- Location server- it is the software that processes the collected data to detect the tags and evaluates the trilateration, relying on different algorithms based on the BLE system.
RTLS with Bluetooth LE
Uno dei principali vantaggi della tecnologia BLE è il poter sviluppare unReal-Time Location System (RTLS) e localizzare con un certo limite di precisione il tag.
Il metodo più comune è la trilaterazione del segnale di 3 o più gateway, disposti secondo una geometria specifica, per mezzo dell’elaborazione della forza del segnale(RSSI – Received Signal Strength Indicator).
La tecnologia più innovativa per la localizzazione è la recenteAoA(o AoD), che permette dicalcolare la direzionerispetto all’anchor in cui si trova il tag, e incrociando i dati di due dispositivi, il punto nello spazio con una precisione molto maggiore del metodo basato su RSSI. Le configurazioni possibili sono due, a seconda della geometria dell’array di antenne nel gateway:
- ULA (Uniform Linear Array – 1D): antenna are placed in a linear arrangement;
- URA (Uniform Rectangular Array – 2D): antennas are placed in a bidimensional matrix.
Types of RTLS with BLE
La trilaterazione con RSSI e il calcolo della direzione con AoA sono metodi impiegati principalmente per iltracking massivo, mentre AoD è ideale per applicazioni di localizzazione e navigazione indoor. Pertanto, poniamo l’attenzione sui primi due.
RSSI
Tramite unalgoritmo di trilaterazioneè possibile localizzare il beacon con una precisione di massimo 3 metri (una precisione inferiore è difficilmente ottenibile per via di fenomeni di riflessione). Per fare ciò, si calcola la distanza dai gateways elaborando il RSSI del beacon raccolto da almeno 3 anchors.
PROs:Integrating classic BLE gateways and processing RSSI data is much cheaper than using AoA.
CONs:RSSI is very sensitive to multipath fading, which is a consequence of interference and reflection with objects in the environment, and to tags orientation.
AoA
Permette di ottenere unalocalizzazione più precisadel beacon tramite il calcolo delladirezione della semiretta gateway / tag. L’escamotage realizzato per ovviare al problema del Time of Flight – ToF , è quello di aggiungere al segnale trasmesso dal beacon un segnale sinusoidale puro di coda chiamato CTE (Constant Tone Extension) della durata di 16 µs – 160 µs . L’elaborazione del CTE da parte del gateway permette di calcolare l’angolo di azimuth e quindi la direzione in cui si trova il tag.
Se la sua configurazione è ULA, il gateway fornisce solo angolo di azimuth (e quindi la direzione sulla semiretta gateway/tag), mentre se è URA forniscesia azimuth che elevazione.
PROs:Con AoA è possibile aumentare la precisione a0.3 m – 1,5 mincrociando i segnali di più gateways AoA. E’ meno sensibile alla morfologia dell’ambiente.
CONs:it is a very expensive technology and the infrastructure density is higher than a RSSI-based RTLS. Furthermore, configuration is more difficult and requires maintenance.
AoD
Come i gateway AoA, i gateway Angle of Departure hanno un array di antenne che possono essere disposte in geometria lineare (ULA) o bidimensionale (URA). Ciò che li distigue da AoA, è che il processo di elaborazione è invertito: nel AoD è il gateway a trasmettere il CTE al tag, che potrebbe essere ad esempio uno smartphone e che si occupa calcolare l’angolo di partenza.
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