Protocoles de positionnement TDOA et TWR expliqués

Cet article fait partie de la Pozyx Academy et est le troisième d'une série de cinq articles qui expliquent comment la technologie Pozyx fonctionne et ce qu'il faut prendre en compte lors de l'installation du système Pozyx.

• Comment fonctionne le positionnement
• Comment fonctionne l'ultra-wideband
• Protocoles de positionnement expliqués
• Ultra-wideband et obstacles
• Où placer les ancres

Actuellement, Pozyx propose deux protocoles de positionnement : TDOA et TWR. Chaque protocole a ses avantages et inconvénients et est mieux adapté selon l'application. À la fin de l'article, les protocoles sont comparés dans un tableau unique.

Time Difference of Arrival (TDOA)

En mode TDOA, les tags transmettent périodiquement un clignotement UWB (ultra-wideband), avec ou sans planification ni considération des autres tags ou ancres. Comme le tag n'a qu'à envoyer une seule transmission UWB, le positionnement peut se faire rapidement et avec une faible consommation d'énergie. Avec le protocole Aloha couramment utilisé, les tags n'envoient que et ne reçoivent jamais, ce qui entraîne une consommation d'énergie extrêmement faible, avec des durées de vie de batterie de plusieurs années. Cependant, pour limiter les interférences avec d'autres tags, le taux de mise à jour est quelque peu limité. Alternativement, les tags peuvent être planifiés, comme dans TWR+, pour atteindre un taux de mise à jour encore plus élevé.

Lorsqu'un tag en mode TDOA envoie un clignotement « Salut, mon ID est xxxx », il est capté par toutes les ancres à portée. Via des lignes Ethernet, ces ancres envoient l'heure exacte à laquelle elles ont reçu l'impulsion du tag au serveur de positionnement. Comme les ancres sont à différentes distances du tag, elles auront reçu l'impulsion à des moments légèrement différents. Sur la base de ces différences de temps, le serveur peut alors calculer où se trouvait le tag par rapport aux ancres, au moment où le tag a envoyé son clignotement.

Géométriquement, la position sera à l'intersection des hyperboles définies par les différences de temps mesurées.

Remarque : En TDOA, le tag ne connaîtra jamais sa position, sauf si elle lui est renvoyée, ce qui n'arrive généralement pas.

Pour que le Time Difference of Arrival fonctionne, les ancres doivent avoir la même notion du temps. Pour cela, leurs horloges doivent être synchronisées avec précision. C'est pourquoi les ancres communiquent périodiquement entre elles via l'UWB pour synchroniser leurs horloges. Même avec cette synchronisation, les ancres ont besoin d'horloges très précises pour permettre le TDOA, disponibles uniquement sur les ancres Pozyx.

Two-way-ranging (TWR)

Le two-way-ranging est sans doute le protocole de positionnement le plus connu. En TWR, la distance entre un tag et une ancre est obtenue en envoyant un paquet aller-retour. En mesurant le temps que met le paquet à revenir, le tag peut estimer la distance à l'ancre. Pour le positionnement, le tag initie la communication avec les ancres et effectue la mesure de distance avec elles, une par une. Une fois que le tag a mesuré la distance avec au moins trois, idéalement quatre ancres, il peut calculer sa position par trilatération. Géométriquement, le tag sera à l'intersection des cercles définis par les distances mesurées.

Le TWR a été la première solution que nous avons proposée avec notre système Pozyx Creator. Lorsqu'il y a plusieurs tags à positionner, un tag est désigné maître et les autres sont des esclaves. Le tag maître ordonne aux tags esclaves de se positionner vis-à-vis des ancres, un par un, et de renvoyer leur position. Typiquement, le tag maître est ensuite connecté à un ordinateur, Arduino ou Raspberry Pi qui récupère les positions de tous les tags esclaves via le maître. C'est aussi ainsi que fonctionne notre application cloud pour le système Creator.

Cette approche, avec un seul tag maître, ne s'adapte pas bien aux grandes surfaces, car tous les autres tags doivent être à portée radio du tag maître. Pour obtenir un TWR évolutif, appelé TWR+, la fonction du tag maître est remplacée par le réseau d'ancres, qui planifie dynamiquement quel tag doit être positionné. Le TWR+ est implémenté sur le système Pozyx Enterprise où la planification est calculée sur le serveur central et distribuée aux ancres. Ce qui distingue le TWR+ est que le serveur de positionnement connaît aussi en temps réel la position de tous les tags. Grâce à cela, le serveur peut, via les ancres, planifier efficacement les tags et leur assigner uniquement les ancres les plus proches/faciles d'accès. Cela s'appelle communément « planification intelligente » et « sélection intelligente des ancres ». Ces pratiques augmentent le taux de mise à jour des tags car ils n'ont pas besoin d'attendre d'autres tags ou ancres hors de portée. Les tags utilisent uniquement les ancres les plus proches et attendent seulement pour éviter les interférences avec les tags suffisamment proches pour être perturbés.

Comme il n'y a pas de tag maître, le TWR+ peut évoluer en nombre de tags et d'ancres, sans limites.

Tableau comparatif

Mettons tout cela ensemble. Bien sûr, beaucoup dépend de la mise en œuvre réelle, car il n'existe pas de standard pour ces protocoles.

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*Le taux de mise à jour total théorique maximum est calculé avec plusieurs hypothèses : les paquets UWB les plus courts (donnant la portée la plus petite), pas de temps de garde, 4 ancres utilisées et calcul instantané. Ce n'est pas très réaliste. Cependant, cela donne une indication claire du protocole ayant l'avantage. Notez que ce taux maximum doit être partagé entre tous les tags dans une cellule radio (environ 1000 m²). Ainsi, avec 100 tags en mode Aloha TDOA, le taux maximum théorique pour chaque tag serait d'environ 13 Hz.

D'après la comparaison, on voit que le TDOA a l'avantage dans les applications à faible consommation et grande échelle comme le suivi d'actifs. De même, dans les applications nécessitant des taux de mise à jour très élevés, comme dans les sports compétitifs, le TDOA est avantageux. Dans d'autres applications, comme les applications ad-hoc non permanentes, le TWR peut être plus adapté. Le TWR serait aussi un choix préféré pour les applications où les tags seraient hors de la zone des ancres.

En termes de précision, les deux protocoles offrent une précision horizontale similaire dans la zone des ancres. Hors de cette zone, la précision se dégrade beaucoup plus rapidement pour le TDOA que pour le TWR. Pour le positionnement 3D, les deux protocoles peuvent estimer la hauteur avec précision, mais cela dépend beaucoup du placement des ancres. En général, avec seulement des ancres montées au plafond, le TDOA est très mauvais pour estimer la hauteur. C'est moins le cas pour le TWR, qui peut encore fournir un résultat relativement précis.

Lisez l'article suivant sur l'ultra-wideband et les obstacles pour en savoir plus sur la technologie de Pozyx.

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