RTLSでの通信プロトコルの比較：到着角度と位相範囲

モノのインターネット（IoT）業界が活況を呈し続けるにつれて、多くの企業が商用ユースケース向けのリアルタイムロケーションシステム（RTLS）の開発を開始しました。タグ付けされたアセットの場所を特定するためにRTLSで使用できるプロトコルがいくつかあります。使用されているいくつかの新しいテクノロジーは、フェーズレンジングと到着角度（AoA）です。この記事では、RTLSの一部として、両方のテクノロジーと、それぞれのメリットとデメリットについて説明します。

フェーズレンジングテクノロジーとは何ですか？

フェーズレンジングは、タグからビーコンに送信される信号の往復位相シフトをいくつかの異なる周波数で測定することにより、アセットタグの位置を決定します。次に、この位相情報を使用して、往復距離を推測します。低電力BLE無線は位相を高精度で測定できるため、この技術により、時間ベースのシステム（UWBなど）よりもはるかに低コストで測距技術が可能になります。

タグが少なくとも4つのビーコン（理想的には> 6）までの範囲を測定すると、その位置を3倍にすることができます。これらはすべて、数百ミリ秒以内に発生します。

到着角度（AoA）テクノロジーとは何ですか？

位相レンジングと同様に、AoAは位置の位相測定を使用しますが、類似点はここで終わります。 AoAは、タグからビーコンまでの範囲を測定するのではなく、タグからロケーター（タグ信号を受信するデバイス）までの方位線を推定します。ロケーターは、アンテナアレイを利用し、信号受信中に要素を切り替えることによってこれを行います。これらの要素間の位相シフトを比較することにより、入力信号の角度を計算できます。タグからの信号が複数のロケーターによって受信された場合、各ロケーターからの「光線」が交差する場所を推定することにより、タグの位置を推測できます。

違いを探る

フェーズレンジングとAoAの一般的な理解ができたので、これらのRTLS通信プロトコルの主な機能、利点、および欠点を調べてみましょう。

1. 解像度

   AoAシステムでは、解像度はロケーターからの距離に依存します。これは、ホイールのスポークとして視覚化できます。ハブから離れるほど、スポーク間の距離が長くなります。同様に、AoAタグがロケーターから離れるほど、位置の解像度は粗くなります。これにより、ロケーターの配置に制約が課せられます。高すぎる天井には取り付けられません。対照的に、位相測距システムの解像度は純粋に信号帯域幅の関数であり、距離に依存しないため、適切なカバレッジを実現し、タグに適切な測距ジオメトリを提供するには、ビーコンを配置するだけで済みます。

2. コスト

   角度を測定するには、AoAロケーターには比較的大きなカスタムのマルチエレメントアンテナアレイが必要です。このハードウェアの複雑さのために、AoAはフェーズレンジングシステムよりも高価になる傾向があります。フェーズレンジングビーコンは、基本的な全方向性アンテナ（チップまたは統合）を使用できます。フェーズレンジングコンポーネントは比較的単純であるため、ユーザーのオーバーヘッドコストが削減されます。

3. インストール

   AoAの計算に一般的に使用されるアルゴリズムは、MUSIC（MUltiple SIgnal Classification）と呼ばれます。計算上、これは集中的な手順です。アセットタグまたはロケーターにMUSICを実装することは現実的ではありません。これには、各ロケーターが「エッジプロセッサー」またはクラウドのいずれかに処理するためにサンプルをバックホールする必要があります。データの量を考えると、これを行うための好ましい方法は、ケーブル接続されたイーサネット接続を介することです。これにより、ロケーターのコストとインストールの複雑さの両方が増加します。一方、フェーズレンジングタグは、独自の場所を計算します。大規模なバックホールインフラストラクチャは必要ありません。バックホールに低電力ワイドエリアネットワーク（LPWAN）リンクを使用することにより、ケーブルは不要になります。

4. マルチパス

   屋内の資産追跡を扱う人なら誰でも、金属製の物体が信号を反射する可能性があることを知っています。 Link Labsでフェーズレンジングシステムを使用して行われた作業の多くは、反射の影響を最小限に抑えることでした。この場合、AoAは実際には比較できません。測距は信号の到着時間を測定するため、マルチパスを自然に識別します。角度ベースのシステムでは、マルチパスを識別するのは困難です。 MUSICアルゴリズムはマルチパスの識別に役立ちますが、重大な弱点があります。アルゴリズムは、受信信号が無相関である（つまり、信号が同じソースからのものではない）と想定します。ただし、マルチパス反射は同じ信号の遅延バージョンであるため、相関性が高くなります。これには、タグまでの大まかな距離を計算するために信号強度などの補足情報を使用する必要がありますが、信号強度ベースの距離測定は、特にロケーターからの距離が遠い場合、不正確であることがよく知られています。

5. 精度

精度は、間違いなくRTLSの最も重要な指標ですが、最も微妙な違いもあります。例として、LinkLabのOnSiteXLEフェーズレンジングシステムを使用した倉庫からの位置精度の累積分布関数（CDF）を次に示します。

Y軸はパーセンタイルを表します（例： 0.5 =50％-X軸はパラメータを表します-この場合、システムの精度はメートル単位です

現実的な期待値を提供するために、90パーセンタイルの精度を指定します（90％の時間で達成された精度を意味します。これらは、修正で使用されたビーコンの数とともにプロットの凡例で指定された統計です）。この例では、約1.2メートル。ただし、代わりに50パーセンタイルを仕様として使用した場合、精度は40cmであると言えます。システム精度の仕様を比較する場合、基礎となる方法論が同じであることが重要です。そうでない場合、公正な比較ではありません。結局のところ、上記のプロットを見ると、時間の一部がミリメートルであることに注意してください。 精度が達成されました。あまり慎重でないシステムベンダーは、システムを実際よりも正確に見せるために、より低いパーセンタイル数を使用することを選択する場合があります。そのため、どのような条件下で精度が測定され、どの統計ベンチマークが使用されたかを常に確認してください。

AirFinder OnSiteXLEを介したフェーズレンジング

フェーズレンジングとAoAの違いを理解することは、実装する資産追跡ソリューションを決定する際に不可欠です。とは言うものの、フェーズレンジングは一般的に優れた全体的なテクノロジーと見なされています。 Link Labsでは、AirFinder Onsite Xtreme Low Energy（XLE）がフェーズレンジングテクノロジーを使用して、タグのバッテリー寿命とコストを犠牲にすることなく、ユーザーに精度を提供します。 XLEの詳細については、今すぐデモを予約してください。