BLE 5.1 AoA là công nghệ tính toán hướng dựa trên tín hiệu IQ

BLE AoA là phương pháp ước tính vị trí bằng cách tính toán hướng đến của tín hiệu không dây. Trong khi các công nghệ RTLS hiện nay phụ thuộc vào cường độ tín hiệu (RSSI) hoặc chênh lệch thời gian (TDoA), AoA có cấu trúc đo lường góc mà tín hiệu đi đến mảng anten. Tiêu chuẩn BLE 5.1 định nghĩa một cấu trúc tín hiệu chuyên dụng gọi là CTE (Constant Tone Extension) để cho phép thực hiện phép toán này. CTE là cấu trúc thêm một dải tần số cố định có độ dài nhất định sau khi truyền tải dữ liệu (payload), và trong khoảng thời gian này, dữ liệu IQ có thể được thu thập định kỳ. Thiết bị thu (anchor) sẽ phân tích độ lệch pha của tín hiệu IQ thu thập được trong khoảng CTE này để tính toán góc đến (Azimuth) của tín hiệu. Chìa khóa của việc tính toán góc phương vị nằm ở việc đo lường chính xác độ lệch pha giữa nhiều anten. Khoảng cách giữa các anten thu thường được thiết kế trong khoảng nửa bước sóng (λ/2) và độ lệch pha thay đổi tuyến tính theo góc thu. Bằng cách hiệu chỉnh độ lệch pha xảy ra tại thời điểm này với tần số và khoảng cách giữa các anten, góc tới chính xác có thể được ước tính trong thời gian thực. Hệ thống AoA của ORBRO được thiết kế để có thể thu nhận hoàn toàn tín hiệu BLE 5.1 CTE, với 12 anten thực hiện lấy mẫu IQ một cách tuần tự. Dữ liệu IQ được xuất ra theo thời gian thực thông qua giao tiếp nối tiếp, và các giá trị IQ nhận được từ mỗi anten được chuyển đổi thành các góc liên tục theo thuật toán tính toán góc phương vị. BLE AoA có tính mở rộng cao vì nó có thể được áp dụng chỉ với các thiết bị truyền BLE thông dụng mà không cần thiết lập thẻ đặc biệt. Ngoài ra, phương pháp AoA không tính toán trực tiếp tọa độ mà ưu tiên tính toán thông tin vị trí tương đối dựa trên góc, do đó nó có cấu trúc thuận lợi về mặt phản hồi và tốc độ tính toán cần thiết cho việc theo dõi thời gian thực.

Sự kết hợp giữa góc phương vị và góc ngẩng tạo nên sự khác biệt về độ phân giải vị trí

Về bản chất, BLE AoA là phương pháp tính toán góc tới của tín hiệu, nhưng hầu hết các triển khai chỉ dừng lại ở việc đo góc phương vị (Azimuth). Trong trường hợp này, tọa độ chỉ được xác định dựa trên mặt phẳng nằm ngang, gây khó khăn cho việc phân biệt tầng hoặc ứng phó với thay đổi độ cao. Đặc biệt trong môi trường trong nhà thường xuyên có chuyển động thẳng đứng như trần nhà, kệ hàng, cầu thang, những hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của vị trí. Để giải quyết vấn đề này, ORBRO đã đưa vào cấu trúc tính toán 3 chiều, tính toán đồng thời góc phương vị và góc ngẩng (Elevation Angle). ORBRO AoA bố trí 12 anten thu theo mảng hình vuông và ước tính đường xâm nhập không gian của tín hiệu dựa trên vị trí của mỗi anten và sự khác biệt về khoảng cách truyền sóng. Thông qua đó, không chỉ hướng ngang đơn giản mà cả góc dọc cũng có thể được tính toán đồng thời, giúp giảm sai số vị trí theo hướng trục Z và đưa toàn bộ cấu trúc 3 chiều trong nhà vào phạm vi tính toán. Cấu trúc 12 anten được thiết kế để có thể thu được đồng thời nhiều vectơ hướng dọc-ngang, và mỗi anten tuần tự thu thập dữ liệu IQ để tạo thành phân phối pha đa chiều. Phân phối này không hội tụ vào một kết quả góc phương vị duy nhất mà được kết hợp với các giá trị ước tính độ cao được rút ra từ nhiều góc độ. Kết quả là vị trí được ước tính không phải là tọa độ 2 chiều mà là một điểm có hướng trong không gian, mang lại cấu trúc thuận lợi cho việc phân tích hướng di chuyển và tính toán phân tách tầng. Lý do các hệ thống dựa trên AoA hiện có không thể triển khai chức năng suy luận độ cao là do hạn chế về thiết kế phần cứng và cấu trúc tính toán. Tuy nhiên, ORBRO đã thiết kế mảng anten dựa trên tiền đề tính toán góc ngẩng ngay từ giai đoạn thiết kế, và bằng cách kết hợp nó với lấy mẫu IQ thời gian thực và thuật toán suy luận hướng tín hiệu, ORBRO đã triển khai hệ thống BLE RTLS có khả năng tính toán vị trí độ phân giải cao bao gồm cả thông tin trục dọc.

Nguyên lý hoạt động công nghệ

ORBRO AoA là công nghệ theo dõi vị trí 3 chiều, tính toán góc phương vị và góc ngẩng bằng cách phân tích độ lệch pha của tín hiệu IQ nhận được trong khoảng CTE. Sử dụng mảng đa anten và thuật toán trường vectơ để hiệu chỉnh cả sai số dọc, cho phép ước tính vị trí dựa trên hướng một cách ổn định.

Bước 1. Gửi tin nhắn Poll và thu thập tín hiệu nhận

Các thẻ (tag) được cấu hình theo tiêu chuẩn BLE 5.1 định kỳ gửi tín hiệu bao gồm khoảng CTE (Constant Tone Extension) có độ dài nhất định sau gói quảng cáo (Advertisement Packet). Khoảng CTE là một dải tần số cố định, và thiết bị thu được thiết kế để có thể trích xuất các mẫu IQ một cách ổn định trong khoảng này. Thẻ chỉ thực hiện chức năng truyền mà không cần tính toán riêng biệt nên tiêu thụ pin thấp và thuận lợi cho việc mở rộng quy mô lớn.

Bước 2. Gửi tin nhắn Response và thu thập RTT

TwinTracker sử dụng 12 anten thu được bố trí hình tròn để lấy mẫu tuần tự các giá trị IQ của tín hiệu CTE. Khoảng cách giữa các anten được thiết kế ở mức λ/2, tối ưu cho việc tính toán độ lệch pha, và mỗi anten thu thập dữ liệu IQ dựa trên cùng một khoảng CTE. Dữ liệu này bao gồm dạng số phức của tín hiệu BLE (I: In-phase, Q: Quadrature), là cơ sở để tính toán thông tin pha.

Bước 3. Tính toán khoảng cách và tinh chỉnh dựa trên chất lượng tín hiệu

Các mẫu IQ đã đồng bộ hóa được sử dụng để tính toán góc phương vị (Azimuth) dựa trên độ lệch pha giữa các anten. Độ lệch pha thay đổi tuyến tính theo góc tới của tín hiệu, và việc phân tích điều này cho phép ước tính hướng mà tín hiệu đã đến. ORBRO đã áp dụng thuật toán hiệu chỉnh pha tối ưu cho phép toán này để đạt được sai số góc phương vị trong khoảng ±2.5°.

Bước 4. Đánh giá tính liên tục của trục thời gian và ổn định khoảng cách

Vượt xa việc tính toán góc phương vị đơn giản, TwinTracker suy luận cả góc ngẩng (Elevation) thông qua thuật toán trường vectơ. Phân phối IQ đa chiều thu thập được từ 12 anten phản ánh cả độ lệch pha theo hướng trục Z, dựa trên đó việc hiệu chỉnh vị trí theo hướng dọc được thực hiện. Ở giai đoạn này, việc phân tích vị trí trong không gian 3 chiều trở nên khả thi, không chỉ theo hướng ngang.

BLE AoA có thể là giải pháp thực tế cho hệ thống định vị trong nhà

Để công nghệ RTLS được áp dụng vào môi trường thực tế, nó phải đáp ứng đồng thời nhiều điều kiện khác nhau như độ chính xác, tính dễ lắp đặt, chi phí và khả năng mở rộng hệ thống. Các hệ thống độ chính xác cao dựa trên UWB hiện nay cung cấp độ chính xác tốt nhưng có nhược điểm là cả thiết bị đầu cuối và cơ sở hạ tầng đều cần phần cứng đặc thù, dẫn đến chi phí xây dựng toàn bộ hệ thống cao. Ngược lại, phương pháp RSSI triển khai đơn giản nhưng sai số lớn tùy theo môi trường và không phù hợp để vận hành dựa trên tọa độ chính xác. BLE AoA là công nghệ nằm ở giữa hai phương pháp này. Nó có thể được triển khai chỉ với các thiết bị thông dụng hỗ trợ BLE 5.1, và có thể ước tính vị trí độ chính xác cao ngay cả với cấu trúc thẻ truyền tương đối đơn giản. Phía thẻ không thực hiện các phép toán đặc biệt nên chi phí thiết bị và tiêu thụ điện năng thấp, và chỉ cần nâng cấp thiết bị thu (anchor) là có thể đảm bảo độ chính xác của toàn bộ hệ thống. ORBRO đã thiết kế đồng thời phần cứng và thuật toán để đưa công nghệ BLE AoA lên mức có thể áp dụng thực tế. Cấu trúc 12 anten được thiết kế để có thể thu nhận ổn định độ lệch pha của tín hiệu BLE, và một chuỗi quy trình từ lấy mẫu IQ → đồng bộ thời gian → tính toán trường vectơ → suy luận góc ngẩng được thực hiện tự động trong một hệ thống duy nhất. Ngoài ra, TwinTracker AoA bao gồm các chức năng giao tiếp dựa trên Ethernet và PoE, đầu ra IQ nối tiếp, và trực quan hóa góc thời gian thực, cho phép áp dụng ngay lập tức trong tất cả các giai đoạn từ thử nghiệm đến vận hành. BLE AoA vẫn được đánh giá là công nghệ có độ khó triển khai cao và hiếm có trường hợp thương mại hóa. Tuy nhiên, ORBRO đã đảm bảo được cấu trúc để biến nó thành cơ sở hạ tầng vị trí thực tế, và đang phát triển ở mức có thể triển khai hệ thống vị trí độ chính xác cao có tính kinh tế dựa trên các thẻ BLE thông dụng.