TDOA- und TWR-Positionierungsprotokolle erklärt

Dieser Artikel ist Teil der Pozyx Academy und der dritte in einer Reihe von fünf Artikeln, die erklären, wie die Pozyx-Technologie funktioniert und was bei der Installation des Pozyx-Systems zu beachten ist.

• Wie Positionierung funktioniert
• Wie Ultra-Wideband funktioniert
• Positionierungsprotokolle erklärt
• Ultra-Wideband und Hindernisse
• Wo die Anker platziert werden sollten

Derzeit bietet Pozyx zwei Positionierungsprotokolle an: TDOA und TWR. Jedes Protokoll hat seine Vor- und Nachteile und eignet sich je nach Anwendung besser. Am Ende des Artikels werden die Protokolle in einer Tabelle verglichen.

Time Difference of Arrival (TDOA)

Im TDOA-Modus senden Tags periodisch einen UWB- (Ultra-Wideband) Blink, mit oder ohne Zeitplanung und unabhängig von anderen Tags oder Ankern. Da der Tag nur eine einzige UWB-Übertragung senden muss, kann die Positionierung schnell und mit geringem Energieverbrauch erfolgen. Mit dem häufig verwendeten Aloha-Protokoll senden Tags nur und empfangen nie, was zu einem extrem niedrigen Stromverbrauch mit Batterielaufzeiten von mehreren Jahren führt. Um jedoch die Interferenz mit anderen Tags zu begrenzen, ist die Aktualisierungsrate etwas eingeschränkt. Alternativ können die Tags, wie bei TWR+, geplant werden, um eine noch höhere Aktualisierungsrate zu erreichen.

Wenn ein Tag im TDOA-Modus einen Blink „Hi, my ID is xxxx“ sendet, wird dieser von allen Ankern in Reichweite erfasst. Über Ethernet-Leitungen senden diese Anker die exakte Zeit, zu der sie den Impuls des Tags empfangen haben, an den Positionierungsserver. Da die Anker unterschiedlich weit vom Tag entfernt sind, haben sie den Impuls des Tags zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten empfangen. Auf Grundlage dieser Zeitunterschiede kann der Server dann berechnen, wo sich der Tag relativ zu den Ankern befand, in dem Moment, als der Tag seinen Blink gesendet hat.

Geometrisch liegt die Position am Schnittpunkt von Hyperbeln, die durch die gemessenen Zeitunterschiede definiert sind.

Hinweis: Bei TDOA kennt der Tag seine Position nie, es sei denn, sie wird an ihn zurückgemeldet, was im Allgemeinen nicht geschieht.

Damit Time Difference of Arrival funktioniert, müssen die Anker dieselbe Zeitbasis haben. Dazu müssen ihre Uhren präzise synchronisiert sein. Deshalb kommunizieren die Anker regelmäßig über UWB miteinander, um ihre Uhren zu synchronisieren. Selbst mit Synchronisierung benötigen Anker für TDOA dennoch sehr präzise Uhren, die nur auf den Pozyx-Ankern verfügbar sind.

Two-way-ranging (TWR)

Two-way-ranging ist vielleicht das bekannteste Protokoll für die Positionierung. Bei TWR wird die Entfernung von einem Tag zum Anker durch das Hin- und Herschicken eines Pakets ermittelt. Durch Messung der Zeit, die das Paket für die Rückkehr benötigt, kann der Tag die Entfernung zum Anker schätzen. Für die Positionierung initiiert der Tag die Kommunikation mit den Ankern und misst die Entfernung zu den Ankern nacheinander. Sobald der Tag die Entfernung zu mindestens drei, idealerweise vier Ankern gemessen hat, kann er seine Position mittels Trilateration berechnen. Geometrisch liegt der Tag am Schnittpunkt von Kreisen, die durch die gemessenen Entfernungen definiert sind.

TWR war die erste Lösung, die wir mit unserem Pozyx Creator-System angeboten haben. Wenn mehrere Tags positioniert werden sollen, wird ein Tag zum Master und die anderen Tags zu Puppets. Der Master-Tag weist die Puppet-Tags an, sich nacheinander gegenüber den Ankern zu positionieren und ihre Position zurückzumelden. Typischerweise ist der Master-Tag dann mit einem Computer, Arduino oder Raspberry Pi verbunden, der wiederum die Positionen aller Puppet-Tags über den Master erhält. So funktioniert auch unsere Cloud-App für das Creator-System.

Dieser Ansatz mit einem einzelnen Master-Tag skaliert bei großen Flächen nicht gut, da sich alle anderen Tags in Funkreichweite des Master-Tags befinden müssen. Um skalierbares TWR zu erreichen, bezeichnet als TWR+, wird die Funktion des Master-Tags durch das Ankernetzwerk ersetzt, das dynamisch plant, welcher Tag positioniert werden muss. TWR+ ist im Pozyx Enterprise-System implementiert, wobei der Zeitplan auf dem zentralen Server berechnet und an die Anker verteilt wird. Was TWR+ auszeichnet, ist, dass der Positionierungsserver auch alle Positionen der Tags in Echtzeit kennt. Dadurch kann der Server über die Anker Tags effizient einplanen und ihnen nur die Anker zuweisen, die am nächsten bzw. am einfachsten zu erreichen sind. Dies wird üblicherweise als „Smart Scheduling“ und „Smart Anchor Selection“ bezeichnet. Beide Verfahren helfen, die Aktualisierungsrate der Tags zu erhöhen, da sie nicht auf andere Tags oder Anker warten müssen, die möglicherweise ohnehin außer Reichweite sind. Tags verwenden nur die Anker, die ihnen am nächsten sind, und warten nur, um Interferenzen mit den Tags zu vermeiden, die nah genug sind, um gestört zu werden.

Da es keinen Master-Tag gibt, kann TWR+ sowohl bei der Anzahl der Tags als auch der Anker ohne Grenzen skaliert werden.

Vergleichstabelle

Fassen wir also alles zusammen. Natürlich hängt vieles von der konkreten Implementierung ab, da es für diese Protokolle keine Standardimplementierung gibt.

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*Die theoretische maximale Gesamt-Aktualisierungsrate wird unter mehreren Annahmen berechnet: die kürzesten UWB-Pakete (was zur kleinsten Reichweite führt), keine Guard Times, Verwendung von 4 Ankern und sofortige Berechnung. Das ist nicht sehr realistisch. Es gibt jedoch einen klaren Hinweis darauf, welches Protokoll im Vorteil ist. Beachten Sie, dass diese maximale Aktualisierungsrate unter allen Tags innerhalb einer Funkzelle (etwa 1000 m²) aufgeteilt werden muss. Bei 100 Tags im Aloha-TDOA-Modus läge die theoretische maximale Aktualisierungsrate für jedes Tag also bei etwa 13 Hz.

Aus dem Vergleich sehen wir, dass TDOA bei stromsparenden, großflächigen Anwendungen wie Asset Tracking im Vorteil ist. Ebenso hat TDOA in Anwendungen, die sehr hohe Aktualisierungsraten erfordern, wie etwa im Leistungssport, einen Vorteil. In anderen Anwendungen, etwa bei ad-hoc, nicht permanenten Anwendungen, kann TWR besser geeignet sein. TWR wäre auch die bevorzugte Wahl für Anwendungen, bei denen sich die Tags außerhalb des Ankerbereichs befinden würden.

In Bezug auf die Genauigkeit bieten beide Protokolle innerhalb des Ankerbereichs eine ähnliche horizontale Genauigkeit. Außerhalb des Ankerbereichs verschlechtert sich die Genauigkeit bei TDOA deutlich schneller als bei TWR. Für die 3D-Positionierung können beide Protokolle die Höhe genau schätzen, allerdings hängt dies stark von der Platzierung der Anker ab. Im Allgemeinen ist TDOA bei nur an der Decke montierten Ankern bei der Höhenschätzung sehr ungenau. Bei TWR ist dies weniger der Fall, da hier weiterhin ein relativ genaues Ergebnis erzielt werden kann.

Lesen Sie den nächsten Artikel über Ultra-Wideband und Hindernisse, um mehr über die Technologie von Pozyx zu erfahren.

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