Implementace určování polohy využívající Bluetooth Low Energy v FPGA

Abstract

Vnitřní lokalizační systémy se stávají čím dál populárnějšími. Bluetooth Low Energy je jednou z nejpoužívanějších technologií v tomto oboru díky své jednoduchosti, nízké energetické náročnosti a nízkým finančním nákladům. Cílem této práce je navrhnout lokalizační systém založený na dříve vyvinutém digitálním Bluetooth akcelerátoru zvaném Celeste. Tento akcelerátor slouží k detekci a demodulaci Bluetooth paketů v základním frekvenčním pásmu. Celeste bylo v rámci této práce modifikováno pro zlepšení jeho detekčních a demodulačních parametrů. Poté bylo integrováno do RISC-V SoC a celý tento systém byl implementován na FPGA. Jako RF a analogový subsystém byla použita deska EvaLTE, dříve vyvinutá na IIS. Funkce celého systému byla ověřena pomocí CMW500 RF testeru a také pomocí signálů z BLE advertiserů. Software pro lokalizaci založený na metodě nejmenších čtverců byl vyvinut a jeho funkce byla experimentálně ověřena. Největší výzvou pro přesnost odhadu pozice byla nestabilita RF prostředí, rozdíly mezi jednotlivými kanály určenými pro broadcast a BLE vysílače, které byly mimo přímou viditelnost. Pro potlačení rozdílů mezi kanály byla použita rovnoměrně rozložená měření síly signálu ve těchto kanálech. Z výpočtu pozice byla vyloučena měření z několika vysílačů pro potlačení negativních dopadů nestabilního RF prostředí a vysílačů mimo přímou viditelnost, a to ta s nejslabším signálem. Tento navržený přístup zlepšil přesnost lokalizace až o 60% ve srovnání s konvenčním přístupem, který využívá všechny dostupné vysílače. Dosažená průměrná chyba v odhadu pozice byla 2.75 m.

Indoor positioning systems are becoming more and more popular. Bluetooth Low Energy is one of the most frequently used technologies within this field thanks to its simplicity, low energy consumption, and low costs. The goal of this project was to develop an indoor positioning testbed based on a previously designed Bluetooth digital baseband accelerator called Celeste. Celeste was modified within this project to provide better receiver characteristics. It was integrated to a RISC-V SoC and the whole system was implemented on an FPGA. EvaLTE board, which was previously developed at IIS, was used as an RF and analog subsystem. The function of the whole system was verified first with CMW500 RF tester and then with signals from commercial BLE advertisers. A positioning application based on the linear least squares algorithm was developed and evaluated in an experimental setup. The main issues regarding the position estimation accuracy identified during the application development were beacons in non-line-of-sight, an unstable RF environment, and differences between advertising channels. Evenly distributed measurements of signal strength over all the advertising channels were used to mitigate the effect of multipath propagation. The negative effects of the unstable RF environment and the beacons in non-line-of-sight were successfully attenuated by excluding measurements from the beacons with weak signal strength from the position calculation. This approach improved the position estimation accuracy by up to 60% comparing to the conventional approach of using measurements from all the available beacons. The achieved mean error in the position estimation was 2.75 m.