Bluetooth 5.1 location technology demo

Last week when I visited Arrow IoT summit I saw Bluetooth location services in use.  Two booth on the even showed Bluetooth positioning in two compartments. Quuppa Oy showed their own Bluetooth-based indoor positioning technology, which is used in many applications. With its unique Angle-of-Arrival (AoA) method and positioning algorithms, the system enables real-time tracking of Bluetooth® Low Energy (BLE) Tags and devices, with accuracy down to a few centimeters. They had some products on their booth to view.

Silicon Labs booth was more interesting for two reasons: they had an live demo and an old friends on the booth. Silicon Labs had a demonstration of fresh Bluetooth 5.1 standard positioning technology connected a DMX-512-controlled light. That allowed the light beam to follow a person carrying a small Bluetooth beacon circuit board. I have earlier written on Bluetooth 5.1 location technology at Bluetooth Enhances Support for Location Services with New Direction Finding Feature posting. This technology allows determining the location of Bluetooth beacon up to around 10 cm accuracy or even better.

This video shot by me with smart phone shows how Bluetooth 5.1 locationing work with hardware from Silicon Labs. Esa Piirilä demonstrates how well Bluetooth beacon location is detection works and location information is used to control DMX-512 controlled moving light.

Both a simple Bluetooth beacon and a fresh base station demo system using multiple PCB antennas were based on Silicon Labs chips. Silicon Labs has information on their chips used at https://www.silabs.com/products/wireless/learning-center/bluetooth/bluetooth-direction-finding.

Here is picture of the location system Bluetooth 5.1 base station (early demonstration unit, commercial units expected in one year or so) and the DMX-512 controller light.

dscf6656

Here is view on electronics that is inside the Bluetooth location base station. This seems to use 16 circuit board antenna array (4×4 grid). With those antennas and some smart signal processing the base station can determine the direction and distance of the Bluetooth beacon. This base station circuit board has USB and Ethernet connectors for communication with computer.

dscf6851

dscf6650

Here is the Bluetooth beacon that sends the signal being located.

dscf6646

When discussing on the topic with people around, I heard that with Bluetooth 5.1 you can do the location with typical location arrangement where you have many location base stations (much more expensive than beacon) scattered around area (like Quuppa does the location on their system that was released initially few years ago). But Bluetooth 5.1 allows you to do location system also in reverse direction so that you could have many cheap Bluetooth beacons scattered around the are at known locations, and then have only few moving Bluetooth 5.1 location base stations (for example mounted to moving heavy machinery).

19 Comments

  1. Tomi Engdahl says:

    BLE and MAC Randomization
    https://www.mist.com/documentation/ble-mac-randomization/

    The Impact that MAC Randomization has on Location Analytics

    Bluetooth low energy (BLE) (also known as Version 4.0+ of the Bluetooth specification, or Bluetooth Smart) is the power- and application-friendly version of Bluetooth that was built for the Internet of Things (IoT). The power efficiency and low energy functionality make this protocol perfect for battery operated devices.

    BLE advertisements are a periodic unidirectional broadcast from the peripheral to all devices around it.

    If one were take iOS and MacOS as an example we see some interesting patterns (see Table 1). Both do a fairly good job of keeping things random and ensuring that the device is not easily trackable.

    Reply
  2. Tomi Engdahl says:

    Tests of Bluetooth Low Energy 5.1 Indoor Navigation – Direction Finding
    https://www.electronics-know-how.com/tests-of-bluetooth-low-energy-5-1-indoor-navigation-direction-finding/

    Bluetooth Low Energy (BLE) 5.1 has introduced Angle of Arrival (AoA) and Angle of Departure (AoD) to enrich the direction finding (DF) feature. This application note gives the guidance of how to perform the BLE 5.1 DF RF tests according to the RF test specification of BT 5.1 by using the Rohde & Schwarz test solutions. Learn more about the Rohde & Schwarz solutions in this area.

    Reply
  3. Tomi Engdahl says:

    https://etn.fi/index.php/13-news/12336-gps-jatti-haastaa-suomalaisen-sisatilapaikannuksen

    . Paikannuspiireistään tunnettu sveitsiläinen u-blox esittelee nyt kehitysalustat, joilla laitteiden sijainti voidaan selvittää Bluetooth-signaalin paluukulman perusteella.

    Tekniikka kutsutaan nimellä AoA (angle-of-arrival). Samaa menetelmää käytetään esimerkiksi suomalaisen Quupan ratkaisussa, jota on lisensoitu suurelle joukolle yrityksiä.

    Nyt samoille apajille tulee u-blox. Se on esitellyt XPLR-AOA-1- ja XPLR-AOA-2-kehityspaketit, joiden avulla laitevalmistajat voivat nopeasti kehittää AoA-tekniikkaan perustuvia sisätilaratkaisuja. Alusta koostuvat antennikortista ja tagista sekä tarvittavista ohjelmistoista.

    Reply
  4. Tomi Engdahl says:

    Bluetoothiin uusia ominaisuuksia
    https://etn.fi/index.php/13-news/12730-bluetoothiin-uusia-ominaisuuksia

    Bluetooth SIG julkisti heinäkuussa uuden 5.3-päivityksen tekniikan core-standardiin. Uudistukset tuovat neljä uutta ominaisuutta, jotka parantavat BLE-yhteyksiä entisestään. Renesas on esitellyt tiettävästi ensimmäisen uusia määrityksiä tukevan ohjainpiirin.

    Uudet ohjaimet tulevat yhtiön RA-sarjaan, jotka perustuvat Arm Cortex-M-ytimiin. Ne ovat seuraajia viime vuonna esitellyille RA4W1-ohjaimille ja Renesas lupaa näytteitä uutuuksista laitevalmistajille ensi vuoden alkupuolella.

    Mikä sitten muuttuu BLE-ominaisuuksissa? Ensinnäkin yksi toiminto on poistettu. AMP-laajennus (Alternate MAC and PHY extension) on mahdollistanut toisen ohjaimen käyttämisen pääohjaimen rinnalla. Tätä ei käytännössä ole nähty kaupallisissa piireissä, joten laajennus poistetaan core-standardin uudesta 5.3-versiosta.

    Lisäyksiä on tehty neljä. Jatkossa protokolladatan mukana laitteet voivat mainostaa ADI-informaatiota (AdvDataInfo). Informaation avulla BLE-ohjain voi tunnistaa, jos datakuorman (payload) mukana tulee uudelleenlähetettyjä, identtisiä datapaketteja. Näitä paketteja ei tarvitse enää käsitellä uudestaan, mikä osaltaan nopeuttaa prosessointia.

    Toinen lisäys on parannus salausavaimen koon hallintaan. Yhdistyneet laitteet voivat neuvotella salausavaimien koosta, joten HCI-liitännän yli voidaan välittää tieto pienimmästä hyväksytystä salausavaimen koosta. Tämä parantaa tietoturvaa erityisesti IoT-tyyppisissä laitteissa, kuten BLE:llä ohjatuissa ovissa ja kannettavissa lääketieteen laitteissa.

    Jatkossa Bluetooth-linkin kaistanleveys voidaan kasvattaa nopeasti vastaamaan laajakaistaista datakuormaa. Tekniikkaa kutsutaan nimellä Connection Subrating.

    Uutta on BLE-ohjainten kyky määritellä, millä kanavilla yhteys isäntälaitteeseen halutaan toteuttaa.

    Core Specification 5.3
    This is the Bluetooth Core Specification file and Test Requirements.
    https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core-specification/

    Reply
  5. Tomi Engdahl says:

    What’s the Difference Between Bluetooth and UWB for High-Speed Data and Multimedia?
    Oct. 26, 2021
    For nearly 20 years, Bluetooth has dominated as the short-range technology for wirelessly connected devices. But UWB’s latency and power-efficiency advantages position it as a compelling alternative with faster, freer dataflow and low power consumption.
    https://www.mwrf.com/technologies/systems/article/21179514/spark-microsystems-whats-the-difference-between-bluetooth-and-uwb-for-highspeed-data-and-multimedia?utm_source=RF%20MWRF%20Today&utm_medium=email&utm_campaign=CPS211029010&o_eid=7211D2691390C9R&rdx.ident%5Bpull%5D=omeda%7C7211D2691390C9R&oly_enc_id=7211D2691390C9R

    Reply
  6. Tomi Engdahl says:

    Senttimetriluokan paikannus wifi-signaalin avulla
    https://etn.fi/index.php/13-news/13011-senttimetriluokan-paikannus-wifi-signaalin-avulla

    Tarkka sisätilapaikannus on ollut jo vuosia yritysten kehityksen kohteena ja tuloksena on ollut leegio erilaisia, tarkkuudeltaan vaihtelevia ratkaisuja. Israelilainen Deeyook on nyt lanseerannut tekniikan, jossa wifi-tukiasemien lähettämän signaalin avulla päästään 10 sentin paikannustarkkuuteen.

    Deeyook kertoo fuusioineensa omat algoritminsa Infineonin vähävirtaisille AIROC-sarjan wifi-piirisarjoille. Tällaisten piirien avulla voidaan hyödyntää maailman noin 1,7 miljardia wifi-reititintä. Tekniikka toimii passiivisesti eli ei edellytä mitään reitittimille kirjautumista.

    Tähän asti kheitetyissä paikannusratkaisuissa on kaikissa omat haasteensa. GPS-signaali ei kuulu kaikkialle, erityisesti sisätiloihin. RFID-lähettimiä ei puolestaan ole kaikkialla. Wifi-reititin sen sijaan löytyy käytännössä aina laitteen radion kantaman sisältä.

    Reply
  7. Tomi Engdahl says:

    Algorithms to Antennas: Three-Dimension Indoor Positioning Using IEEE 802.11az Waveforms
    Jan. 19, 2022
    In this blog, we describe an application that leverages RF signals in accordance with 802.11az to determine the position of an object.
    https://www.mwrf.com/technologies/systems/article/21214458/mathworks-algorithms-to-antennas-threedimension-indoor-positioning-using-ieee-80211az-waveforms?utm_source=RF%20MWRF%20Today&utm_medium=email&utm_campaign=CPS220121059&o_eid=7211D2691390C9R&rdx.ident%5Bpull%5D=omeda%7C7211D2691390C9R&oly_enc_id=7211D2691390C9R

    What you’ll learn:

    What is IEEE 802.11az?
    Using trilateration for positioning computations.
    Using deep learning to determine positioning.

    This edition of Algorithms to Antennas describes an application in which RF signals are used to determine the position of an object. If you have been following this blog over the past four years, you might think radar is involved. While it’s a good guess since you can use radar to estimate an object’s position, we look instead to a wireless standard that supports positioning.

    The IEEE 802.11az Wi-Fi standard defines the signals used to make measurements and the protocols employed to exchange timestamps. We will estimate the position of a station (STA) in a multipath environment using time-of-arrival (ToA) measurements. These measurements are fed into a multiple signal classification (MUSIC) algorithm to estimate the time of arrival of signals (super resolution beyond sample rate accuracy). We then estimate the two-dimensional position of a STA using trilateration.

    Later in the post, we will use deep-learning techniques to predict the three-dimension position of STAs based on a fingerprint consisting of channel state information (CSI) measured at specific locations in an environment.
    Positioning Using Trilateration

    The IEEE 802.11az Wi-Fi standard is commonly referred to as next generation positioning (NGP). The standard provides physical-layer features that enable ranging and positioning. With this, we can use line-of-sight (LOS) conditions to extract temporal information, such as ToA, or spatial information such as angle of arrival (AoA), from a multipath signal to compute a distance between devices. When the range between at least three devices can be measured, trilateration may be used to compute a position estimate (Fig. 1).

    Reply
  8. Tomi Engdahl says:

    Pettee Launches a Wireless, Four-Inch Accuracy, Arduino-Compatible Ultra-Wideband Positioning Board
    Supplied as a kit with case, wireless charger, battery, and the board itself, Pettee’s positioner includes on-board IMU.
    https://www.hackster.io/news/pettee-launches-a-wireless-four-inch-accuracy-arduino-compatible-ultra-wideband-positioning-board-1ad80375a875

    Reply
  9. Tomi Engdahl says:

    Using Wi-Fi Access Points to Determine Position
    Feb. 11, 2022
    Deeyook is working with Wi-Fi chip vendors to make it possible to determine device position via triangulation.
    https://www.mwrf.com/technologies/systems/video/21216667/electronic-design-using-wifi-access-points-to-determine-position?utm_source=RF%20MWRF%20Today&utm_medium=email&utm_campaign=CPS220211031&o_eid=7211D2691390C9R&rdx.ident%5Bpull%5D=omeda%7C7211D2691390C9R&oly_enc_id=7211D2691390C9R

    Location, location, location. That tends to describe property values, though it’s also critical to the Internet of Things (IoT).

    Communication is useful, but knowing where a device or sensor is located can be invaluable information. Global positioning systems (GPS) provide this type of information using satellites and special receivers. However, it doesn’t work well indoors and there are some limits outdoors, too.

    Deeyook is working with Wi-Fi chip vendors to make it possible to determine device position via triangulation. I spoke with Gideon Rottem, CEO and Founder at Deeyook, about the company’s technology and how it works.

    Reply
  10. Tomi Engdahl says:

    Using Wi-Fi Access Points to Determine Position
    Feb. 11, 2022
    Deeyook is working with Wi-Fi chip vendors to make it possible to determine device position via triangulation.
    https://www.electronicdesign.com/technologies/iot/video/21216226/electronic-design-using-wifi-access-points-to-determine-position?utm_source=EG%20ED%20Connected%20Solutions&utm_medium=email&utm_campaign=CPS220224022&o_eid=7211D2691390C9R&rdx.ident%5Bpull%5D=omeda%7C7211D2691390C9R&oly_enc_id=7211D2691390C9R

    Location, location, location. That tends to describe property values, though it’s also critical to the Internet of Things (IoT).

    Communication is useful, but knowing where a device or sensor is located can be invaluable information. Global positioning systems (GPS) provide this type of information using satellites and special receivers. However, it doesn’t work well indoors and there are some limits outdoors, too.

    Deeyook is working with Wi-Fi chip vendors to make it possible to determine device position via triangulation. I spoke with Gideon Rottem, CEO and Founder at Deeyook, about the company’s technology and how it works.

    Deeyook’s patented wireless-based firmware uses self-learning AI technology to provide location information with a precision of about 10 cm. It requires support in Wi-Fi access points and delivers absolute position information indoors and outdoors as long as suitable access points are nearby.

    Location Technology
    https://www.deeyook.com/locationtechnology

    The Deeyook patented sensor is based on wireless interferometry:
    The difference in carrier phase between two free-space rays is translated into an angle: the direction of departure.

    Reply
  11. Tomi Engdahl says:

    Tarkka sisätilapaikannus Bluetoothilla
    https://etn.fi/index.php/13-news/13373-tarkka-sisaetilapaikannus-bluetoothilla

    Markkinoille on tuotu useita luotettavia ja moneen sovellukseen riittävän tarkkoja ratkaisuja sisäpaikannusratkaisuja. Yksi mahdollisuus on Bluetooth-paikannus. Sveitsiläisen u-bloxin uudella antennikortilla päästään sisätiloissa alle metrin paikannustarkkuuteen. ANT-B10 -antennikortti on suoraan lopputuotteisiin integroitava kortti. Se mahdollistaa pienitehoisen ja suuren tarkkuuden sisäpaikannuksen ja nopeuttaa Bluetooth-suuntimisen ja sisäpaikannusratkaisujen arviointia, testausta ja kaupallistamista.

    Bluetooth-sisäpaikannus käyttää mobiilitunnisteen lähettämän Bluetooth-signaalin saapumiskulmaa (AoA) useissa kiinteissä ankkuripisteissä tunnisteen sijainnin laskemiseen reaaliajassa. Näin päästään alle metrin tarkkuuteen. Suurena etuna Bluetoothilla on laaja ekosysteemi: radio löytyy useimmista laitteista, kuten kaikista älypuhelimista.

    ANT-B10 on vähän energiaa sisältävä antennikortti. Siinä on antenniryhmä, joka koostuu kahdeksasta yksittäisestä patch-antennista. Antennit on sijoiteltu u-bloxin oman NINA-B411 Bluetooth 5.1 -moduulin ympärille. Käsiteltyään mobiiliseurantatunnisteiden lähettämät saapuvat RF-signaalit moduulin radio- ja kulmanlaskentaprosessorissa moduuli tuottaa suoraan lasketun saapumiskulman sovellusten käyttöön.

    Ublox tarjoaa kehittäjille myös XPLR-AOA-3 Explorer-sarjaa. Se on helppo ja nopea tapa arvioida ja testata ANT-B10-antennilevyä sekä u-bloxin suunnanhakualgoritmia.

    Reply
  12. Tomi Engdahl says:

    POSTED ONJUNE 2, 2022 BY JEAN-LUC AUFRANC (CNXSOFT) – 4 COMMENTSON ZEROKEY QUANTUM RTLS ENABLES INDOOR LOCATION WITH MILLIMETER-LEVEL ACCURACY
    https://www.cnx-software.com/2022/06/02/zerokey-quantum-rtls-enables-indoor-location-with-millimeter-level-accuracy/

    ZeroKey Quantum RTLS enables indoor location with millimeter-level accuracy
    ZeroKey’s Quantum RTLS is a 3D real-time location system (RTLS) for millimeter-level accuracy designed for the real-time monitoring of assets and people to optimize workflows in the manufacturing, supply chain, and logistics industries.

    The company claims that with time and location data, the solution provides the “highest level of accuracy and actionable analytics through its Spatial Intelligence Platform, giving customers 4D operational intelligence that truly delivers on the promise of Industry 4.0”,

    Reply
  13. Tomi Engdahl says:

    Kuinka kauaksi Bluetooth yltää?
    https://etn.fi/index.php/13-news/13860-kuinka-kauaksi-bluetooth-yltaeae

    Bluetooth on luultavasti maailman laajimmalle levinnyt langaton tekniikka. Mutta kuinka kauaksi linkki kahden laitteen välillä yltää eli mikä on kantama? Bluetooth SIG on julkaissut työkalun, jonka avulla linkin kantamaa voi eri tilanteissa ja kohteissa arvioida.

    Miä kaikki linkin laatuun ja kantamaan sitten vaikuttaa? Ensinnäkin taajuus. 2400-2483,5 megahertsin alue on vapaassa käytössä. Se on lisäksi vapaana kaikkialla maailmassa. Tämä toki tarkoittaa samalla melkoista ruuhkaa aalloilla.

    Linkin fyysisellä tasolla (PHY) määritellään modulointitekniikka ja muut tekniikat, joilla dataa lähetetään taajuuskanavan yli. Tällä tasolla ratkaisevat käytettävissä olevien kanavien määrä, niiden käytön spektritehokkuus, virheenkorjaus ja häiriöiden estotekniikat.

    Vastaanottimen herkkyys vaikuttaa siihen, kuinka heikon signaalin se osaa tulkita. Mikä on pienin teho, jolla vastaanotin havaitsee signaalin, säilyttää yhteyden ja pystyy yhä demoduloimaan dataa. PHY-osasto riippuen Bluetooth-vastaanottimen herkkyys liikkuu välillä -70…-82 dBm. Piiritason toteutuksissa herkkyys saadaan kuitenkin usein jopa yli -100 dBm:een.

    Lähetysteho on keskeisessä osassa siinä, minne asti signaali kantaa. Suurempi teho tarkoittaa suurempaa tehonkulutusta, joten tässä on aina kyse kompromissista ja sovelluksen vaatimuksesta. Standardissa teho yltää 0,01 milliwatista (-20 dBm) aina 100 milliwattiin (+20 dBm) saakka.

    Tämän jälkeen linkin suorituskykyyn vaikuttavat vielä antennin vahvistus ja signaalihäviö.

    The Bluetooth Range Estimator
    Calculate the expected range between two Bluetooth devices
    https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/?utm_source=eet-na&utm_medium=ad&utm_campaign=range&utm_term=native&utm_content=eet-crsl-aug-range#estimator

    Reply
  14. Tomi Engdahl says:

    Wi-Peep: features of wireless peeping
    https://www.kaspersky.com/blog/wi-peep-wireless-localization/46611/
    In November 2022, researchers at universities in the U.S. and Canada demonstrated a method of Wi-Fi device localization using inexpensive and easy-to-find equipment. The attack proof-of-concept was dubbed Wi-Peep, as it can be used to peep on devices communicating with each other via Wi-Fi. The research offers new insight into certain features of Wi-Fi networks, and the potential risks of device-localization. We should start by saying that the risks arent too high an attack looks like something out of a Bond movie. But that doesnt make the research any less interesting.

    Reply
  15. Tomi Engdahl says:

    Bluetooth Tracking Device
    Bluetooth direction finder points out the transmitting module.
    https://www.hackster.io/news/bluetooth-tracking-device-1414f8f786ea

    Reply

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

*