Warum die Signalstärke nicht ausreicht

Die Idee, die empfangene Signalstärke zur Entfernungsschätzung zu nutzen, ist so alt wie die Bluetooth-Beacons selbst. In der Praxis hängt der RSSI-Wert jedoch von vielen Faktoren ab, die nichts mit der Entfernung zu tun haben: der Ausrichtung der Antenne, Hindernissen durch Personen oder Metall, Reflexionen an Wänden und Regalen, der Sendeleistung und dem Gehäuse. Zwei Tags, die sich in genau derselben Entfernung befinden, können daher Werte liefern, die um mehrere Dezibel voneinander abweichen. Dies reicht für eine grobe Anwesenheitserkennung („im Raum“ oder „nicht im Raum“) aus, nicht jedoch für eine zuverlässige Entfernungsbestimmung.

Im Jahr 2019 wurde die Richtungserkennung mit dem Ankunftswinkel (Angle of Arrival, AoA) und dem Abflugwinkel (Angle of Departure, AoD) eingeführt. Sie liefert zuverlässig einen Winkel, erfordert jedoch Antennenarrays und eine fest installierte Infrastruktur. Was fehlte, war eine robuste, genaue Entfernungsmessung zwischen zwei Standard-Bluetooth-Geräten – und genau diese Lücke schließt Channel Sounding.

So funktioniert Channel Sounding

Channel Sounding erfolgt stets zwischen zwei Geräten: Der Initiator startet den Messvorgang, während der Reflektor auf dessen Signale reagiert. Anhand der Messdaten wird dann die Entfernung zwischen den Geräten berechnet. Beide Geräte tauschen in schneller Folge Testsignale über mehrere Frequenzen aus. Zu diesem Zweck definiert die Spezifikation 72 nutzbare Kanäle mit einem Abstand von 1 MHz – im Vergleich zu den üblichen 40 Kanälen mit einem Abstand von 2 MHz beim herkömmlichen Bluetooth LE.

Hier kommen zwei Messverfahren zum Einsatz:

• Phase-Based Ranging (PBR): Beide Geräte senden unmodulierte Töne aus und messen deren Phasenbeziehung. Da sich die Phasendifferenz je nach Frequenz und Entfernung ändert, lässt sich die Entfernung anhand der Daten über viele Kanäle hinweg sehr genau berechnen. PBR ist das primäre und genaueste Verfahren; laut Bluetooth SIG lassen sich Entfernungen von bis zu etwa 150 m eindeutig messen.
• Round-Trip-Timing (RTT): Hierbei wird die Laufzeit eines Datenpakets vom Initiator zum Reflektor und zurück gemessen. RTT ist weniger genau als PBR, beseitigt jedoch Mehrdeutigkeiten und dient in erster Linie als unabhängige Plausibilitätsprüfung.

Die Kombination beider Verfahren sorgt für eine robuste Messung: Weichen die Ergebnisse von PBR und RTT erheblich voneinander ab, deutet dies auf Störungen oder Manipulationen hin. Die Hersteller geben typische Genauigkeiten für die Kanalortung im Bereich von 0,3 bis 1 m an – deutlich besser als bei allen bisherigen infrastrukturfreien Bluetooth-Verfahren. Der tatsächliche Wert hängt stark von der Umgebung, dem Antennendesign und dem Auswertungsalgorithmus ab.

Sicherheit ist integriert

Für Anwendungen wie digitale Schlüssel oder Zugangskontrolle reicht die reine Entfernungsmessung nicht aus – die Messung muss zudem manipulationssicher sein. Channel Sounding nutzt dazu mehrere Schutzmechanismen: zufällig ausgewählte Kanalsequenzen und Antennenwege, zufällige Zeitschlitze, sichere Zugangsadressen sowie die Gegenprüfung der RTT- und PBR-Ergebnisse. Erkennt ein Gerät Unstimmigkeiten, kann es einen potenziellen Angriff melden. Dies erschwert es Angreifern erheblich, eine kürzere Entfernung vorzutäuschen, als tatsächlich vorliegt – beispielsweise, um sich unbefugten Zugang zu einer Tür oder einer Maschine zu verschaffen.

Von der Entfernung zur Position

Channel Sounding ermittelt die Entfernung zwischen zwei Geräten. Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Position im Raum zu bestimmen: Entweder misst ein Tag die Entfernung zu mehreren fest installierten Ankern, und die Position wird mittels Trilateration berechnet; oder die Entfernung wird mit einer Winkelmessung über AoA/DoA kombiniert – in diesem Fall reicht im Idealfall ein einziger Anker aus, um sowohl Richtung als auch Entfernung zu bestimmen.

Die Anker selbst können über Thread oder WLAN vernetzt werden. So entsteht eine Infrastruktur, die neben der Positionsbestimmung auch Gebäudefunktionen übernehmen kann: Eine Leuchte, ein Präsenzmelder oder ein Wandschalter wird gleichzeitig zum Positionsanker.

Channel Sounding und UWB: Eher komplementär als konkurrierend

Ultra-Wideband (UWB) gilt als Goldstandard für die präzise Funkortung und erreicht in der Regel Genauigkeiten im Zentimeter- bis Dezimeterbereich. Dies erfordert jedoch einen zusätzlichen Funkchip, der Kosten verursacht sowie Platz und Energie verbraucht. Channel Sounding hingegen nutzt die vorhandene Bluetooth-Funkverbindung.

Für Anwendungen, die eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erfordern – wie beispielsweise die präzise Werkzeugführung –, ist UWB nach wie vor die erste Wahl. Für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen, bei denen eine zuverlässige Entfernungsmessung im Meterbereich ausreicht, ist die Kanalortung die kostengünstigere Lösung: Bestandsverfolgung, Zonen- und Näherungserkennung oder schlüsselloser Zugang.

Wichtige Aspekte beim Moduldesign

Die Genauigkeit der Kanalmessung hängt weniger vom Protokoll als vielmehr vom Hardware-Design ab. Fünf Punkte verdienen besondere Beachtung:

• Antennen-Diversity: Die Spezifikation lässt bis zu vier Antennenpfade zu. Mehrere Antennen helfen dabei, Mehrwegausbreitung zu erkennen und Auslöschungen zu kompensieren. Module mit integriertem Antennenschalter vereinfachen die Einrichtung erheblich.
• Antennenlayout: Masseflächen, der Abstand zu Metall und zum Gehäuse sowie die Ausrichtung beeinflussen die Phase und die Laufzeit. Das Antennendesign sollte frühzeitig mit dem späteren Gehäuse getestet werden.
• Kalibrierung: Laufzeitverzögerungen in Filtern, Kabeln und Schaltern verfälschen das Ergebnis, wenn sie nicht kompensiert werden. Die Spezifikation sieht hierfür einen speziellen Kalibriermodus vor; zusätzlich wird eine Referenzmessung im fertigen Gerät empfohlen.
• Auswertung: Rohdaten von PBR und RTT müssen gefiltert und validiert werden. Halbleiterhersteller wie Nordic Semiconductor stellen hierfür Softwarebibliotheken und Beispielprojekte zur Verfügung, die als Ausgangspunkt dienen.
• Leistungsbudget: Die Messfrequenz, die Anzahl der Kanäle und die Anzahl der Antennenwege bestimmen den Stromverbrauch. Bei batteriebetriebenen Tags lohnt es sich, die Messrate an Bewegungen oder Ereignisse zu koppeln – beispielsweise über einen Beschleunigungssensor.

Anwendungen in Gebäuden und in der Industrie

• Bestandsverfolgung: Werkzeuge, Messgeräte, Ladungsträger oder mobile medizinische Geräte können innerhalb eines Gebäudes geortet werden.
• Zugangskontrolle und digitale Schlüssel: Türen, Schränke oder Maschinen werden erst entriegelt, wenn sich ein autorisiertes Gerät in unmittelbarer Nähe befindet.
• Sicherheitsabstände: Maschinen reagieren, wenn sich Personen mit Tags einem Gefahrenbereich nähern.
• Geofencing: Ein Alarm wird ausgelöst, wenn Werkzeuge oder Waren einen definierten Bereich verlassen.
• Smart Office und Smart Building: Raumbuchung, Anwesenheitserkennung oder personalisierte Beleuchtung und Klimasteuerung basierend auf dem tatsächlichen Standort.

Praxisbeispiel: Die Modulplattform von UBEC

Die Modulfamilie des taiwanesischen HF-Spezialisten UBEC (Uniband Electronic Corp.), die in Deutschland von Dacom West vertrieben wird, zeigt, wie Channel Sounding in kompakter Hardware umgesetzt werden kann. Alle Module basieren auf dem Nordic nRF54L15, der Bluetooth 6.0 mit Channel Sounding unterstützt, und sind 8 × 12 mm groß. Die Varianten MN54L15F-C und MN54L15F-D verfügen über einen integrierten SPDT-Antennenschalter mit zwei HF-Pins für Antennendiversität; das Modell MN54L15F-C enthält zudem 8 MB SPI-Flash. Beide sind als Muster erhältlich. Zusätzlich zu seinem Standardmodul-Portfolio bietet UBEC maßgeschneiderte Dienstleistungen für das Antennendesign an, die auf die spezifischen Produktanforderungen der Kunden zugeschnitten sind und dabei helfen, die HF-Leistung und die Entfernungsmessgenauigkeit über verschiedene Anwendungen und Formfaktoren hinweg zu optimieren.

UBEC entwickelt zudem einbaufertige Anwendungsmodule für komplette Ortungssysteme: das MN54L15T, ein Bluetooth-Tag mit optionalem Temperatur-/Feuchtigkeitssensor und 3-Achsen-MEMS, sowie das MNWF6LM20B-X, das als Anker mit WLAN, Bluetooth und Thread dienen und gleichzeitig als Matter/Thread-Border-Router fungieren kann. Dies ermöglicht die Einrichtung von Ortungs- und Gebäudenetzwerken auf Basis einer gemeinsamen Infrastruktur.

Fazit

Channel Sounding macht Bluetooth erstmals zu einem praxistauglichen Werkzeug für die Entfernungsmessung – sicher, standardisiert und ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Funkchips. Für Entwickler bedeutet dies, dass jeder, der heute ein Bluetooth-Produkt plant, diese Funktionalität von Anfang an einkalkulieren sollte. Das Antennendesign, die Kalibrierung und die Datenanalyse sind entscheidend für die erreichbare Genauigkeit. Module, die bereits Antennendiversität integrieren, reduzieren den Entwicklungsaufwand erheblich – und bringen uns der Realisierung von Ortung, Zugangskontrolle und Bestandsverfolgung einen Schritt näher.