Bluetooth Angle of Departure for indoor industrial environments: Improving Carrier Frequency Offset estimation and exploiting frequency-dependent reflections to reduce measurement error

Abstract

Bluetooth 5.1 introduserte en egenskap kalt 'Direction Finding' som gjør det mulig for two Bluetooth enheter å finne vinkelen mellom hverandre med hjelp av antenne-array. Men Bluetooth spesifikasjonen spesifiserer ikke mer enn lav-nivå antennemåling og bytting, og det er opp til programmereren å prosessere dataen til vinkel-estimater. Dette er ikke trivielt.

En del av oppgaven er å forbedre Carrier Frequency Offset estimering (som er et stort problem for Bluetooth direction finding) slik at den kan kjøres i sanntid på innvevde systemer. Dette gjøres med teknikker fra numerisk optimisering og resultatet er en metode som er flere ganger raskere enn tidligere.

En klassisk beamformer fra fagbøker brukes for vinkelestimering, men en stor utfordring er refleksjoner som negativt påvirker vinkel-estimatene. Det er ikke lett å finne informasjon på hvordan disse effektene kan reduseres. Vi benytter simuleringer og eksperimenter i et AutoStore varelager for å undersøke tre hypoteser:

H1: Refleksjoner er svært frekvensavhengige ved innendørs bruk på grunn av geometrien til refleksjonene og den direkte målingen: En liten endring i bølgelengde endrer resultatet annerledes for de to signalene. H2: Kombinering av flere frekvenser gir bedre resultat H3: Å lete etter flere løsninger av vinkler er viktig

Alle disse tre er vist både teoretisk og praktisk til å stemme. Vi viser at å benytte flere frekvenser kan redusere snittfeilen fra 19.3 grader til 3 grader i noen tilfeller.

Forfatteren av denne oppgaven er ansatt hos AutoStore hvor han jobber med et prosjekt som stammer fra bacheloroppgaven hans. Resultatet av denne masteroppgaven kan være interessant for AutoStore og firmaet har tillatt bruk av deres testanlegg og støttet prosjektet med omtrent 20.000 NOK i utstyr og reiseutgifter.

Bluetooth 5.1 introduced the feature 'Direction Finding' which allows bluetooth devices to estimate the direction from one device to another by the use of antenna arrays. But the specification does not specify more than the low-level antenna switching and sampling and it is left to the programmer to bridge the gap from raw data to direction estimates. This is not trivial.

Part of the work in this thesis is improving real-time Carrier Frequency Offset estimation (a critical issue in Bluetooth direction finding) by optimizing an existing solution with numerical optimization techniques to increase computational performance by several orders of magnitude.

A conventional beamformer from the litterature is used for direction estimation, but a major challenge is reflections which alter the output of the direction finder and there is little information in the litterature as to how those can be mitigated. To this end we use both simulations and real-world experiments in an AutoStore warehouse directed toward three main hypotheses:

H1: Reflections are highly frequency dependent in indoor situations due to the geometry of the reflection and direct path: A slight change in wavelength changes the output of each path differently. H2: Combining multiple channels compensates for reflection-caused errors in some cases H3: Searching for multiple solutions of the direction finder is important

All three are shown both theoretically and experimentally to be correct. We show that using multiple channels can reduce the RMSE is direction finding from 19.3 degrees to 3 degrees in some cases.

The author is currently employed at AutoStore where he works on a separate project spawned from the bachelors thesis. The result of this masters thesis could be of interest to AutoStore and the company have allowed the use of their testsite and provided around 20k NOK in equipment and travel expenses.