1. BLE CS(Channel Sounding)
글을 작성한지 너무 오래되었는데, 일단 게시 후 추후 아래 순서 및 글도 전부 수정
Channel Sounding 이해 하기 위해서 간단히 관련 부분 자료를 링크
RF RTLS 의 기본개념 과 TI BLE CS(Channel Sounding) Demo 분석
TI BLE CS Demo 분석이며, TI 문서가 좋음
Nordic BLE CS(Channel Sounding) Demo 분석
1.1 BLE 와 WIFI 차이
BLE는 WIFI 처럼 기본적으로 OFDM을 사용하지 않으며, 대신에 Channel Hopping 을 하여 이를 해결한다.
간단히 말해 FDM 대신에 TDM(Time Division Multiplexing) 방식으로 Time Slot으로 이를 해결한다는 것이다.
BLE의 경우,
자체가 전력소비를 최대한 줄이기 위해서 IFFT / FFT를 사용하지 않기 위해서 라고도 한다.
참고로 WIFI 는 OFDM 기반으로 IFFT/FFT 사용함
| 구분 | Wi-Fi | BLE |
|---|---|---|
| Channel 구조 | ✓ OFDM 사용 (Multiplexing) ( (QAM/등) |
✕ OFDM 미사용 (Channel Hopping) (GFSK / ASK 기반) |
| Channel Bandwidth | 1 Channel (20 / 40 / 80 MHz) |
1 MHz Channel 단위 |
| FFT / IFFT | ✓ 필수사용 | ✕ 사용없음 (저전력 위해) |
| Channel 정보 | CSI를 통해 주파수 응답을 한 번에 획득 |
Channel Hopping + 시간 누적을 통해 정보 구성 |
1.3 BLE CS Range Resolution 확인
- FMCW Radar 의 기본이해
1.2 Range Max (Maximum Range)
1.3 Range Resolution
Radar 기본원리를 이해하면, 쉽게 이해가능
Range Resolution 까지만이라도 이해하고 오자.
- BLE CS Range(Distance) 의 Max
9.2. Distance estimation based on phase and amplitude information
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| https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/Files/Specification/HTML/Core-60/out/en/architecture,-change-history,-and-conventions/architecture.html#UUID-a8d03618-5fcf-3043-2198-559653272b1b |
Distance Estimation Based on Phase-Based Ranging (PBR)
BLE CS Channel 확인
0~78ch까지 존재 Min:15 Ch, Max: 72 Ch (1MHz)
BLE CS Channel 확인
상위 공식들이 너무 어려울 거 같아 아래와 같이 Radar 와 같이 비교해서 쉽게 이해해보도록 하자.
- FMCW Radar Max 과 BLE CS Range Max 비교
ΔR = c / (2 * B) // 2는 RTT 즉 왕복
c = 3×10⁸,3e8 m/s (빛의 속도)
B = 1MHz (Bandwidth of BLE CS)
즉 상위 공식대로 보면, 1 Ch 는 측정 왕복한계거리(왕복최대거리)이며, 150m이며, 이 거리가 넘어가면, 10m 인지 160m 인지 측정이 모호 해진다.
Radar 의 경우, Sample 의 갯수 기반으로 FFT SIZE가 정해져, 각 단위가 정해진다.
상위 BLE CS 9.2 공식과 Radar Range Resolution 공식 동일하다.
다만, Radar는 Sweep bandwidth 중요, BLE CS 통신이므로 Bandwidth
- BLE CS Range Resolution
각 Bandwidth 별 Range(Distance) Resolution
- 1 Ch = 1MHz = 150m = 150m
- 2 Ch = 2MHz = 150/2m = 75 m
- 3 Ch = 4MHz = 150/4m = 37.5m
- 72 Ch = 72MHz = 150/72m = 2.08m
상위와 같이 계산을 해봐도, 이미 거리 해상도 정밀도는 정해져 있다고 본다.
하지만, 이제 이걸 어떻게 더 향상을 시키는 지에 대해 알아보자.
어떻게 보면 이게 핵심 기술이다.
1.4 Range(Distance) 측정보완
BLE CS 에서 주파수 hopping 해서 사용한다고해도 Max 72ch 이므로, 최대 거리 해상도는 정해져 있다.
Bandwidth 2MHz로 변경해도, 이미 BLE Sweep bandwidth 는 정해져 있어서 별 차이가 없다.
- 거리해상도(Range Resolution) 보완 측정
- BLE CS RTT 이용
- MUSIC 알고리즘
상위에 부족한 Range Resoution을 상위 2개를 더해서 보완해서 15cm~ 10cm 까지 향상을 시키는 걸로 알고 있다.
이외 더 있다면, 그 부분은 더 알아 보도록 하겠다.
WIFI Sensing Array
ESP32 1개 를 총 8개 Array 로 MUSIC 알고리즘 적용
나도 아직 완벽히 이해를 못했지만, 각 공분산 형태로 계산을 해서 보정을 해나가는 것로 알고 있음
- RTT(Round Trip Time) 측정
CS SYNC Packet 이용
9.3. Distance estimation based on RTT packets
Channel Sounding Packet Format
CS_SYNC 의 기반으로 계산
Distance Estimation Based on Round-Trip Time (RTT)
RTT는 간단히 생각해서 아래 Time r을 버리고 ToF 2개를 구하는 것임
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| https://docs.silabs.com/rtl-lib/latest/rtl-lib-channel-sounding-fundamentals/#distance-estimation-based-on-round-trip-time-rtt |
- MUSIC 알고리즘 확인
TI 문서를 보면, BLE CS 에서 MUSIC 알고리즘을 사용
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| https://www.ti.com/lit/an/swra791/swra791.pdf |
2. BLE CS 구조 사용
FSK(GFSK)
ASK
| BLE CS Block | Modulation | Role |
|---|---|---|
| CS_SYNC | GFSK | Time / Frequency Synchronization |
| CS_TONE | ASK | Phase Measurement |
- BLE CS Procedure
Ini
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| https://docs.silabs.com/rtl-lib/latest/rtl-lib-channel-sounding-fundamentals/#bluetooth-channel-sounding-procedure |
BLE CS Packet Format
CS Packet
Not OFDM , 이거 대신 주파수 Hopping 즉 TDM
BLE CS 소개
BLE CS 토론 및 설명
BLE Spec
BLE 의 LO Phase 차이 보정
2.1 BLE CS PBR(Phase-based Ranging) 이해
Radar의 FM Chirp하고 개념은 거의 비슷하며,
즉 Phase 기반으로 시간을 Ramp 신호에 반영을 CS Tone으로 만들어 내는 것이다.
- FMCW Radar 와 BLE CS Tone 비교
- PBR Tone 의 Ramp (Phase 기반)
- FMCW 의 1 Chirp ( Frequency 기반)
CH Tone Frequency Phase 변화
Ch1 Tone1 f
Ch2 Tone2 f
Ch3 Tone3 f
Ch4 Tone4 f
72 ch 가능
1MHz 까지 가능
다만, WIFI 처럼 OFDM을 사용하지 않고, CS SYNC 와 CS TONE(ASK)로 보낸다고 한다.
즉, Sweep Frequency 에서 각 주파수 시작 위치 Frequency hopping(TDM)해서 각 채널을 만들어 보내는 것이다.
72MHz bandwith로 한계 이를 어떻게 극복하나
TI RF Switch (Antenna Switch)
아래와 같이 θ(theta)는 2개의 Phase 차이 이며, 이를 시간의 Delay 생각하면
BLE CS에서는 Channel Hopping으로 하므로, Antenna Switch는 반드시 θ(theta)보다 빨라야 한다.
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| https://dev.ti.com/tirex/explore/node?isTheia=false&node=A__AQ0TYkLXd7cPWtNUtMqjSw__com.ti.SIMPLELINK_ACADEMY_CC13XX_CC26XX_SDK__AfkT0vQ__LATEST |
1.4 BLE CS(Channel Sounding) MODE
TI BLE Channel Sounding
- MODE1/2/3/4
QAM 대신 BPSK 사용 (TI BPM과 비슷)
즉 QAM은 시간에 따라 정확한 Phase를 하기가 힘든 구조이며, QPSK는 가능은 하나 복잡함
그래서 BPSK 즉 180도 기반으로 사용
3.3 BLE AoA
sin(theta)로 하지만, 동일한 CS TONE을 RX에서 받아 2 개의 Phae 차이를 구분해서 한다.
하지만, 여기에 차이가 있다.
BLE Antenna는 Switch 하는데, 이게 Radar 같으려면, theta 보다 더 빨리 Switch 해야 한다.
Radar Switch를 안하겠지만, BLE는 Tranceiver는 Switch를 하므로 이 부분 추후
Real Time Localization System (RTLS) based on Bluetooth® Low Energy
Antenna Switching in Channel Sounding
각 Antenna 의 Phase 차이로 Spatial Frequency 파악 가능