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UWB: Zwei Lokalisierungs- techniken im Vergleich

UWB: Zwei Lokalisierungs- techniken im Vergleich

Bei der Verwendung von Ultra-wideband gibt es zwei Arten von Lokalisierungstechniken – Time Difference of Arrival (TDoA) und Two Way Ranging (TWR).


Ultra-wideband ist eine Art der Nahbereichsfunkkommunikation, die zur Indoor Lokalisierung genutzt werden kann. Im Gegensatz zu Bluetooth Low Energy und WLAN basiert die Positionsbestimmung nicht auf der Messung von Signalstärken (Receive Signal Strength Indicator, RSSI), sondern auf einem Laufzeitverfahren (Time of Flight, ToF). Dabei wird die Lichtlaufzeit zwischen einem Objekt und mehreren Empfängern (Anchor - infsoft Locator Nodes) gemessen. Für die genaue Lokalisierung eines Objektes mittels Trilateration sind mindestens drei Empfänger nötig. Außerdem muss eine direkte Sichtverbindung zwischen Empfänger und Sender bestehen.

Bei der Verwendung von Ultra-wideband gibt es zwei Arten von Lokalisierungstechniken – Time Difference of Arrival (TDoA) und Two Way Ranging (TWR). Bei der TDoA-Methode sendet das UWB-Tag Datenpakete an die infsoft Locator Nodes (Anchor) in der Umgebung. Alle Anchor in der Nähe empfangen das Signal des UWB-Tags, senden aber keine Signale zurück. Da sich die Anchor in unterschiedlichen Abständen vom Tag befinden, erreicht die Nachricht jeden Anchor zu einem anderen Zeitpunkt. Diese Zeitunterschiede multipliziert mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit im Raum ergibt die Distanz zwischen Tag und Anchor und bilden die Grundlage für die Multilaterationsberechnung zur Bestimmung der X-, Y- und Z-Koordinaten des Tags. Entscheidend dabei ist, dass alle Locator Tags synchron arbeiten müssen, sonst sind die Ergebnisse bedeutungslos.

UWB: Zwei Lokalisierungstechniken im Vergleich 

Die Eigenschaften beider Methoden übersetzen sich in reale Vor- und Nachteile für eine RTLS-Anwendung.

1. Genauigkeit

Die Ultra-wideband (UWB)-Funktechnologie ermöglicht es uns, Objekte im Innen- und Außenbereich mit einer Genauigkeit von < 30 cm zu orten. Sowohl die Time Difference of Arrival (TDoA) als auch die Two Way Ranging-Methode sind dabei in der Lage diese Genauigkeit zu erreichen. Aufgrund von Offsets bei bei der TDoA-Methode, welche sich durch die Temperaturabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit ergeben, ist die Two Way Ranging Ortungstechnik im Gesamten genauer.

2. Skalierbarkeit - Anzahl der Tags

Time Difference of Arrival sendet ein Blinksignal, das eine kleine Zeitspanne verwendet. Eine hohe Anzahl von Tags kann das Signal innerhalb der Bildwiederholrate übertragen. Jeder Tag kann verwendet werden.

Two Way Ranging sendet eine Reihe von Nachrichten zwischen Geräten, was zu einer begrenzten Anzahl von Tags führt, die das Signal innerhalb der Aktualisierungsrate übertragen können (Zeitsynchronisation muss implementiert werden).

3. Skalierbarkeit - Größe der Fläche

Time Difference of Arrival ist in der Lage, dem System Anchor hinzuzufügen, ohne das System oder die Einstellungen ändern zu müssen.

Two Way Ranging erfordert, dass alle Anchor im System direkt mit dem MasterAnchor kommunizieren. Der Kommunikationsbereich zwischen Anchor und MasterAnchor begrenzt die Größe der Fläche. Bei der Nutzung eines UWB-Systems mit infsoft Locator Nodes kommuniziert jeder Locator Node mit dem Server.

4. Robustheit

Time Difference of Arrival erfordert eine sehr genaue Zeitsynchronisation der Anchor, was die Robustheit negativ beeinflusst. Wie bereits erwähnt, ist eine der wesentlichen Voraussetzungen der TDoA-Methode, die Anker synchron zu halten.

Two Way Ranging erfordert keine Synchronisation der Anchor, was die Robustheit des Systems erhöht.

5. Batterielebensdauer

Time Difference of Arrival benötigt nur eine Blinkmeldung zur Lokalisierung des Tags, was die Lebensdauer der Batterie auf mehrere Jahre verlängert.

Bei der Two Way Ranging-Methode muss der UWB-Tag mehrmals die Signale der Anchors aussenden und wieder empfangen. TWR erfordert den Austausch von 9 Meldungen zur Lokalisierung des UWB-Tags, was die Akkulaufzeit drastisch verkürzt.

6. Benutzerfreundlichkeit

Das Hinzufügen von zusätzlichen Anchor oder Tags mit Time Difference of Arrival erfordert nur die Messung der Position des Anchor oder die Zuweisung einer ID zu einem Tag.

Das Hinzufügen von zusätzlichen Anchor oder Tags erfordert eine explizite Programmierung im Server, was die Kommunikation zwischen Anchor und Tags betrifft. Dies ist bei der Bereitstellung über Locator Nodes nicht der Fall. Auch die Einbringung zusätzlicher Anchor ist kein Problem.

UWB: Zwei Lokalisierungstechniken im Vergleich 

 

UWB: Zwei Lokalisierungstechniken im Vergleich 

 

Fazit

infsoft verwendet in den meisten Anwendungsszenarien mit Ultra-wideband die Two Way Ranging-Methode. TDoA hat durch seinen niedrigen Energieverbrauch und die gute Skalierbarkeit Vorteile, aber einen Nachteil bei der Robustheit. In realen Anwendungen, in denen Systeme eine garantierte Genauigkeit gewährleisten müssen, ist Robustheit oft die wichtigste Anforderung. Grundsätzlich sollte die Wahl der Methode für jeden Anwendungsfall und Typ des Gebäudes überprüft werden.

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