Channel Sounding amplía BLE

Distanciamente preciso con Bluetooth

Bluetooth 6.0 introduce Channel Sounding. Esta tecnología permite una medición precisa con Bluetooth Low Energy, lo que abre nuevas posibilidades para el posicionamiento, la seguridad y la interacción, incluso en ámbitos anteriormente dominados por la banda ultraancha.

Autores: Chetan Joshi, director de producto de Panasonic Industry Europe GmbH, y Torsten Killinger, director de producto corporativo inalámbrico de Rutronik

La localización de dispositivos se ha vuelto indispensable en muchas aplicaciones. El GPS y las redes celulares proporcionan datos precisos en exteriores, pero se quedan cortos en interiores o cuando se trata de requisitos submétricos. Aunque la precisión puede mejorarse con la ayuda de las redes celulares, los costes añadidos y el consumo de energía hacen que estas soluciones sean poco prácticas.

Cada vez son más las aplicaciones que se centran en dispositivos de corto alcance, es decir, en el seguimiento de objetos en redes locales a corta distancia para generar inteligencia de posición local. Es precisamente aquí donde diversas normas y tecnologías patentadas están tratando de establecerse. En este punto, entra en juego el Bluetooth con Channel Sounding.

Bluetooth es una tecnología consolidada, integrada en muchos ámbitos de la vida moderna. Durante años, Bluetooth Low Energy (BLE) ha sido el caballo de batalla de las comunicaciones de corto alcance, permitiendo la transmisión de datos con eficiencia energética entre miles de millones de dispositivos. Desde su introducción, las soluciones de localización BLE han utilizado el indicador de intensidad de señal recibida (RSSI) para estimar las distancias entre dispositivos. El RSSI es adecuado para la detección aproximada de proximidad, como determinar si un dispositivo está cerca. Pero no para mediciones más precisas. Las variables ambientales, las interferencias y los reflejos multitrayecto hacen que el RSSI sea una medida poco fiable de la distancia. Las empresas que contribuyeron a los servicios de localización en tiempo real (RTLS) por Bluetooth se dieron cuenta de ello desde el principio, lo que llevó a la introducción de la función «Direction Finding» (DF) en Bluetooth 5.0. Hoy en día, esta función es la columna vertebral de muchos sistemas RTLS inteligentes basados en Bluetooth.

Las limitaciones de los enfoques basados en RSSI hacen que Bluetooth no sea adecuado para aplicaciones RTLS industriales. Hasta ahora, estas aplicaciones han estado dominadas por soluciones especiales de banda ultraancha (UWB). Además, aunque los sistemas UWB proporcionan datos de distancia en el rango de los centímetros, exigen un mayor esfuerzo de desarrollo de diseño de RF y se enfrentan a requisitos normativos adicionales. Por lo tanto, para muchas aplicaciones en las que basta con una precisión inferior al metro, los sistemas UWB son demasiado complejos o demasiado caros. La función Channel Sounding de Bluetooth 6.0 cubre esta laguna. Proporciona la precisión adecuada para muchas aplicaciones sin el gran esfuerzo de integración que exige la UWB.

La sondeo de canal basado en BLE permite un alcance fiable y preciso con un hardware rentable y fácil de desarrollar. Mientras que las generaciones anteriores de Bluetooth utilizaban valores RSSI para estimar aproximadamente la distancia entre dos dispositivos, el sondeo de canal ahora permite la caracterización directa del canal de radio.

¿Cómo funciona Channel Sounding?

Básicamente, Channel Sounding tiene que ver con el tiempo y la fase. Las mediciones de alcance basadas en la fase (PBR) y el tiempo de ida y vuelta (RTT) se pueden utilizar para determinar las distancias exactas entre dos dispositivos. Con PBR, los dispositivos intercambian señales a través de múltiples frecuencias y comparan los cambios de fase resultantes. Esto permite un cálculo preciso de la distancia (Figura 1). El RTT funciona de manera similar al radar: un dispositivo envía un paquete, la parte receptora responde y la diferencia en el tiempo de ida y vuelta proporciona la distancia (Figura 2). Al combinar ambos métodos, Bluetooth alcanza un nivel de precisión que era inalcanzable con RSSI. El factor decisivo aquí no es solo la precisión, sino también que este nuevo desarrollo se basa en la misma tecnología BLE que se ha convertido en una piedra angular del Internet de las cosas (IoT).

Figura 1. Principio de la medición de distancia basada en la fase (PBR): comparando el desplazamiento de fase en varias frecuencias, se puede calcular la distancia entre dos dispositivos. (Fuente: Bluetooth SiG).

Aunque el PBR y el RTT funcionan de forma fiable en la mayoría de los escenarios del mundo real, necesitan un apoyo adicional para mitigar efectos como la propagación multitrayectoria, las interferencias o los ataques, como los ataques de retransmisión. Por lo tanto, Bluetooth 6.0 incorpora mecanismos de seguridad adicionales para complementar la sondeo de canales. Las señales pueden aleatorizarse, cifrarse y verificarse para garantizar que las distancias determinadas no sean manipuladas. Además, los dispositivos pueden utilizar múltiples antenas para reducir los errores causados por los reflejos a través de la diversidad espacial. Esta combinación de medición del tiempo, comparación de fases y protección criptográfica hace que Channel Sounding sea una herramienta práctica para aplicaciones del mundo real.

Figura 2. Principio del tiempo de ida y vuelta (RTT): la distancia se determina utilizando la diferencia de tiempo entre el envío y la recepción de paquetes de datos. (Fuente: Bluetooth SiG).

Base de hardware para Channel Sounding

Un ejemplo de implementación es la nueva familia de módulos PAN-B611 de Panasonic. Proporciona la funcionalidad de sondeo de canal en un paquete compacto y precertificado. Se basa en el nRF54L15 de Nordic Semiconductor, uno de los primeros SoC Bluetooth que admite mediciones precisas de distancia y ángulo. El chip integra un subsistema de radio para análisis de fase y de ida y vuelta, un potente procesador Cortex-M33 y mecanismos de protección criptográfica. Un coprocesador RISC-V independiente se encarga de las tareas críticas en cuanto al tiempo. Además de la medición de distancias, la compatibilidad con múltiples antenas también permite el posicionamiento basado en ángulos y, por lo tanto, una detección más detallada tanto en dos como en tres dimensiones.

El PAN-B611 distribuye todos los pines del nRF54L15 en una huella híbrida con bordes almenados y almohadillas LGA. Con unas dimensiones de solo 10,35 x 9,6 x 1,9 mm, el módulo es adecuado para diseños con restricciones de espacio. Las versiones con antenas de chip integradas son adecuadas para diseños compactos, mientras que los modelos con conexiones de antena externas también permiten configuraciones con múltiples antenas. Todos los pines del nRF54L15 se conectan en los módulos PAN-B611-1x para garantizar que, por ejemplo, un PAN-B611-1B pueda utilizarse para una configuración de sondeo de canal con múltiples antenas en la que un conmutador de antena se controla con hasta cuatro GPIO. Sin embargo, en muchas aplicaciones, el uso de la antena integrada en el PAN-B611-1C es suficiente para una estimación aproximada de la distancia. Esto elimina la necesidad de adaptaciones de antenas específicas para cada cliente o aprobaciones adicionales y acorta los ciclos de desarrollo.

Para aplicaciones que requieren mucha memoria, Panasonic ofrece la familia de módulos PAN-B611 con un chip de memoria flash opcional y compacto de 4 MB sin cambiar el factor de forma. La memoria adicional permite almacenar los datos de medición para su posterior procesamiento, por ejemplo, para procesos criptográficos o algoritmos de aprendizaje automático en el dispositivo periférico. Esto también ayuda a soportar la ejecución de rutinas no críticas en el tiempo directamente desde la memoria (ejecución in situ, XiP), así como la gestión de paquetes de firmware más grandes y actualizaciones por aire (OTA). La figura 3 muestra el módulo PAN-B611 con una antena integrada.

Figura 3. Módulo PAN-B611 con antena integrada (fuente Panasonic)

El enfoque modular facilita la integración en los diseños existentes y acorta los tiempos de desarrollo. Los desarrolladores pueden centrarse en la lógica de la aplicación, mientras que la certificación y el diseño de RF se tratan a nivel de módulo.

Desde el seguimiento de activos hasta la realidad aumentada (RA)

La información de ubicación crea valor añadido en muchos ámbitos de la vida. Las posibles aplicaciones son igual de diversas. En el sector sanitario o la logística, una precisión submétrica rentable puede contribuir significativamente a aumentar la eficiencia. Los dispositivos se pueden localizar de inmediato, los inventarios se pueden ajustar automáticamente y los procesos se pueden optimizar sin errores humanos. En las aplicaciones de consumo, los teléfonos inteligentes con Channel Sounding podrán interactuar de forma más segura con cerraduras inteligentes o vehículos en el futuro, ya que se verifica la proximidad física real. En los sistemas de RA y RV, el posicionamiento preciso mejora la sincronización entre el entorno digital y el físico. Los escenarios basados en los datos de ubicación exactos de cada miembro de la familia también se pueden utilizar en hogares inteligentes, por ejemplo, el control específico de la iluminación y el aire acondicionado de cada habitación.

Un ejemplo posible es una cerradura inteligente que utiliza Channel Sounding para la verificación de la distancia y, al mismo tiempo, es compatible con un protocolo de hogar inteligente como Matter. Esto permite comprobar la proximidad real de una llave Bluetooth o un smartphone, al tiempo que permite la integración en un hogar inteligente interoperable. La memoria flash opcional de 4 MB del PAN-B611 proporciona espacio suficiente para paquetes de firmware más grandes con pilas de protocolos, bibliotecas de criptografía y funciones OTA.

Resumen

Channel Sounding es una función opcional de Bluetooth 6.0, pero dada la creciente popularidad de los nuevos dispositivos, es probable que se convierta en la función estándar. Marca la transición de la medición de distancia probabilística ( ) a la medición de distancia determinista (deterministic ranging) y lleva a Bluetooth a un nivel completamente nuevo: de una simple interfaz de comunicación a una plataforma para la detección espacial.