Protocolos de posicionamiento TDOA y TWR explicados

Este artículo forma parte de la Pozyx Academy y es el tercero de una serie de cinco artículos que explican cómo funciona la tecnología Pozyx y qué tener en cuenta al instalar el sistema Pozyx.

• Cómo funciona el posicionamiento
• Cómo funciona ultra-wideband
• Protocolos de posicionamiento explicados
• Ultra-wideband y obstáculos
• Dónde colocar los anchors

Actualmente, Pozyx ofrece dos protocolos de posicionamiento: TDOA y TWR. Cada protocolo tiene sus ventajas y desventajas y se adapta mejor según la aplicación. Al final del artículo, los protocolos se comparan en una sola tabla.

Time Difference of Arrival (TDOA)

En modo TDOA, los tags transmitirán periódicamente un blink UWB (ultra-wideband), con o sin programación y sin tener en cuenta a otros tags o anchors. Como el tag solo debe enviar una única transmisión UWB, el posicionamiento puede realizarse rápidamente y con bajo consumo. Con el protocolo Aloha, ampliamente utilizado, los tags solo envían y nunca reciben, lo que se traduce en un consumo de energía increíblemente bajo, con baterías que duran varios años. Sin embargo, para limitar la interferencia con otros tags, la tasa de actualización está algo limitada. Como alternativa, los tags pueden programarse, como en TWR+, para lograr una tasa de actualización aún mayor.

Cuando un tag en modo TDOA envía un blink “Hola, mi ID es xxxx”, todos los anchors dentro del alcance lo reciben. A través de líneas Ethernet, estos anchors envían al servidor de posicionamiento la hora exacta en la que recibieron el pulso del tag. Como los anchors están a distintas distancias del tag, habrán recibido el pulso en momentos ligeramente diferentes. A partir de estas diferencias de tiempo, el servidor puede calcular dónde estaba el tag con respecto a los anchors en el momento en que envió su blink.

Geométricamente, la posición estará en la intersección de hipérbolas definidas por las diferencias de tiempo medidas.

Nota: en TDOA, el tag nunca sabrá su posición, a menos que se le devuelva esa información, lo que por lo general no ocurre.

Para que Time Difference of Arrival funcione, los anchors deben tener la misma noción del tiempo. Para lograrlo, sus relojes deben estar sincronizados con precisión. Por eso, los anchors se comunican periódicamente entre sí a través de UWB para sincronizar sus relojes. Incluso con la sincronización, los anchors siguen necesitando relojes realmente precisos para habilitar TDOA, y estos solo están disponibles en los anchors Pozyx.

Two-way-ranging (TWR)

Two-way-ranging es quizá el protocolo de posicionamiento más conocido. En TWR, la distancia de un tag al anchor se obtiene enviando un paquete de ida y vuelta. Al medir cuánto tardó el paquete en regresar, el tag puede estimar la distancia al anchor. Para el posicionamiento, el tag inicia la comunicación con los anchors y realiza ranging con ellos, uno por uno. Una vez que el tag ha medido al menos con tres, idealmente cuatro anchors, puede calcular su posición mediante trilateración. Geométricamente, el tag estará en la intersección de círculos definidos por los rangos medidos.

TWR fue la primera solución que ofrecimos con nuestro sistema Pozyx Creator. Cuando hay varios tags que posicionar, uno de ellos se convierte en el master y los demás en puppets. El tag master indica a los tags puppet que se posicionen frente a los anchors, uno por uno, y que le informen de vuelta su posición. Normalmente, el tag master se conecta entonces a un ordenador, Arduino o Raspberry Pi, que a su vez obtiene las posiciones de todos los tags puppet a través del master. Así también funciona nuestra aplicación en la nube para el sistema Creator.

Este enfoque, con un único tag master, no escala bien a grandes áreas, ya que todos los demás tags deben estar dentro del alcance de radio del tag master. Para lograr un TWR escalable, denominado TWR+, la función del tag master se sustituye por la red de anchors, que programa dinámicamente qué tag debe posicionarse. TWR+ está implementado en el sistema Pozyx Enterprise, donde la programación se calcula en el servidor central y se distribuye a los anchors. Lo que distingue a TWR+ es que el servidor de posicionamiento también conoce en tiempo real la posición de todos los tags. Gracias a ello, el servidor puede, a través de los anchors, programar los tags de forma eficiente y asignarles solo aquellos anchors que estén más cerca o sean más fáciles de alcanzar. Esto se conoce comúnmente como “smart-scheduling” y “smart anchor selection”. Ambas prácticas ayudan a aumentar la tasa de actualización de los tags, ya que no necesitan esperar a otros tags o anchors que, de todos modos, podrían estar fuera de alcance. Los tags solo usan los anchors más cercanos y esperan únicamente para evitar interferencias con aquellos tags que estén lo suficientemente cerca como para verse afectados.

Como no hay un tag master, TWR+ puede escalar tanto en número de tags como de anchors, sin límites.

Tabla comparativa

Así que vamos a ponerlo todo junto. Por supuesto, mucho depende de la implementación real, ya que no existe una implementación estándar para estos protocolos.

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*La tasa total máxima teórica de actualización se calcula con una serie de supuestos: los paquetes UWB más cortos (lo que da como resultado el menor alcance), sin tiempos de guarda, usando 4 anchors y cálculo instantáneo. Esto no es muy realista. Sin embargo, sí ofrece una indicación clara de qué protocolo tiene la ventaja. Ten en cuenta que esta tasa máxima de actualización debe compartirse entre todos los tags dentro de una celda de radio (aproximadamente 1000 m²). Así, con 100 tags en modo TDOA Aloha, la tasa máxima teórica de actualización para cada tag sería de alrededor de 13 Hz.

A partir de la comparación, vemos que TDOA tiene ventaja en aplicaciones de bajo consumo y gran escala, como el seguimiento de activos. Del mismo modo, en aplicaciones que requieren tasas de actualización muy altas, como en deportes de competición, TDOA tiene ventaja. En otras aplicaciones, como las ad hoc o no permanentes, TWR puede ser más adecuado. TWR también sería la opción preferida para aplicaciones en las que los tags estuvieran fuera del área de anchors.

En términos de precisión, ambos protocolos ofrecen una precisión horizontal similar dentro del área de los anchors. Fuera del área de anchors, la precisión se degradará mucho más rápido en TDOA que en TWR. Para el posicionamiento 3D, ambos protocolos pueden estimar la altura con precisión; sin embargo, esto depende mucho de la colocación de los anchors. En general, con solo anchors montados en el techo, TDOA será muy poco preciso al estimar la altura. Este no es tanto el caso de TWR, que aún puede ofrecer un resultado relativamente preciso.

Lee el siguiente artículo sobre ultra-wideband y obstáculos para saber más sobre la tecnología de Pozyx.

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