UWB VS Bluetooth: Welches bietet eine bessere Positionsgenauigkeit in Innenräumen?

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Wir sind im Zeitalter der Indoor-Positionierung angekommen – ob durch Asset-Tracking-Systeme, standortbasierte Dienste oder fortschrittliche Navigationstools – Indoor-Positionierung revolutioniert die Art und Weise, wie wir mit geschlossenen Räumen interagieren. Die Nachfrage nach präziser Indoor-Positionierung wird weiter zunehmen – Markets and Markets prognostiziert, dass der Markt für Indoor-Positionierung Folgendes erreichen wird: $ 31.4 Milliarden 2029! Der Erfolg der Implementierung hängt jedoch von der Wahl der richtigen Technologie ab – die Zuverlässigkeit eines Indoor-Positionierungssystems ist nur so gut wie die zugrunde liegende Tracking-Methode. In diesem Artikel vergleichen wir zwei führende Technologien in diesem Bereich – Ultrabreitband (UWB) und Bluetooth Low Energy (BLE) –, um Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, welche Technologie Ihren Anforderungen an die Indoor-Positionierung am besten entspricht.

Heute verfügbare Indoor-Positionierungstechnologien

Unterwegs verlassen wir uns oft auf GPS, um uns zu orientieren. Es empfängt Signale von Satelliten im Erdorbit und erreicht eine Genauigkeit von etwa 5 bis 20 Metern. GPS hat jedoch seine Grenzen – sobald wir ein Gebäude betreten oder unter die Erde gehen, werden die Satellitensignale verzerrt. Dadurch wird GPS in Innenräumen deutlich ungenauer.

Hier kommen Bluetooth- und WLAN-Ortungssysteme ins Spiel. Diese Technologien basieren auf der empfangenen Signalstärke und helfen uns, Objekte und Personen auf wenige Meter genau zu orten. Sie eignen sich daher für die einfache Navigation in Innenräumen. Doch die Technologie entwickelt sich weiter – neue Technologien wie UWB und Bluetooth 5.1 zielen auf eine noch höhere Genauigkeit im Submeterbereich von wenigen Zentimetern ab. Dies ermöglicht hochpräzise Indoor-Anwendungen für die Interaktion mit verschiedenen Akteuren in der Umgebung, wie z. B. berührungslose Zugangskontrolle, Asset-Tracking und vieles mehr.

Was ist UWB und wie ermöglicht es die Standortbestimmung?

UWB ist eine drahtlose Technologie für kurze Reichweiten, die über schwache Funkfrequenzen arbeitet. Sie arbeitet in einer Bandbreite von mindestens 500 MHz, von 3.1 bis 10.6 GHz. Sie fragen sich vielleicht, ob dieser Bereich andere Technologien stört. Tatsächlich nicht. Der Grund: UWB überträgt Daten in Nanosekundenimpulsen ohne Trägerwelle und mit unglaublich geringer Leistung – nur -41.3 dBm/MHz. In den letzten Jahren wurden durch die IEEE 802.15.4z-Erweiterung die MAC- und PHY-Schichten für Entfernungsmessung und Lokalisierung verbessert.

UWB bietet im Wesentlichen vier Methoden zur Positionierung von Objekten und Personen:

  • ToA (Ankunftszeit)
  • TDoA (Zeitdifferenz der Ankunft)
  • TWR (Zwei-Wege-Entfernungsmessung)
  • Anstellwinkel (AoA)

Es ist erwähnenswert, dass die meisten Unternehmen, die UWB für die Anlagenverfolgung wählen, TDoA bevorzugen, da es einen geringen Stromverbrauch aufweist und dadurch die Batterielebensdauer der Tags verlängert.

UWB TDoA vs. ToA vs. TWR vs. AoA

Die TDoA-Technik ist der ToA-Technik sehr ähnlich, da beide auf der Messung der Signallaufzeit basieren. TDoA bietet jedoch einen cleveren Vorteil: Es benötigt lediglich die Zeitsynchronisation des Empfängers, keine absolute Zeitangabe. Bei TDoA senden Tags Signale an Anker, die die Daten an einen zentralen Server weiterleiten. Die Positionierungs-Engine auf dem Server berechnet dann die Ankunftszeitdifferenzen, um den Standort des Tags zu bestimmen. Dabei erreicht sie eine Genauigkeit von 10 bis 30 Zentimetern. Für diese Berechnung benötigt der Server Zeitstempel von mindestens vier Ankern.

TWR funktioniert anders und basiert auf der Entfernungsmessung einzelner Tag-Anker, ist aber komplexer – für eine einzige Positionsberechnung sind neun Hin- und Her-Nachrichten erforderlich. Und was ist mit dem Anstellwinkel? Dieser ist teurer und weniger genau und wird bei der UWB-Positionierung nicht bevorzugt.

Wie ermöglicht Bluetooth die Ortung?

Bluetooth ist eine Frequenzsprungtechnologie zur paketweisen Datenübertragung im 2.4-GHz-Band. Es gibt zwei Hauptkategorien: Klassisches Bluetooth (Versionen 1.0–3.0) und Bluetooth Low Energy (BLE, Version 4.0 und höher). Der Hauptunterschied? Der Stromverbrauch! BLE wurde speziell für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch entwickelt.

Bluetooth RSSI im Vergleich zu Bluetooth AoA/AoD

Vor Bluetooth 5.1 wurde BLE häufig für die Positionsbestimmung in Innenräumen eingesetzt. Dabei wurde RSSI (Received Signal Strength Indicator) verwendet, um Funkstreckenverluste zu messen und Entfernungen zwischen Sendern und Empfängern abzuschätzen. Beim herkömmlichen BLE-Asset-Tracking ging es jedoch eher um die Nähe als um die genaue Ortung. Für eine höhere Genauigkeit mussten mehr Beacons im Bereich eingesetzt werden.

Im Jahr 2019 aktualisierte die Bluetooth SIG die 5.1-Kernspezifikation mit erweiterten Peilfunktionen. Diese Spezifikation ermöglicht die Objektverfolgung mittels Anstellwinkel (AoA) oder Abgangswinkel (AoD) durch den Einsatz von Antennenarrays zur Bestimmung der Signalrichtung und erreicht so eine Positionsgenauigkeit von bis zu einem Meter. AoA erfordert mehrere Antennen am Empfänger, während AoD eine Implementierung am Sender erfordert.

Derzeit basieren die meisten kommerziellen Implementierungen aufgrund seiner Einfachheit und der weit verbreiteten Hardwareunterstützung noch auf RSSI. Bluetooth AoA sorgt jedoch für Aufsehen auf dem Positionierungsmarkt, indem es die Kosteneffizienz von BLE mit der Präzision auf UWB-Niveau kombiniert. MOKO SMART hat bereits Tags und Gateways auf den Markt gebracht, die diese hochpräzise Bluetooth AoA-Positionierung unterstützen.

Zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels wurde Bluetooth 6.0 veröffentlicht, dessen Schwerpunkt auf Bluetooth Channel Sounding liegt. Es nutzt phasenbasiertes Ranging (PBR) und Round-Trip-Time (RTT) für eine sichere und präzise Entfernungsmessung zwischen Geräten. Weitere Anwendungen zur Entfernungserkennung warten darauf, von uns entdeckt zu werden!

Vergleich der UWB- und Bluetooth-Positionierung

Wir erleben spannende Wettkämpfe im Bereich der Indoor-Positionierungstechnologien. UWB und Bluetooth sorgen für Aufsehen, bringen aber jeweils einzigartige Eigenschaften mit sich. Wir betrachten UWB und Bluetooth AoA im Detail und vergleichen sie miteinander.

Präzision und Abdeckung

UWB bietet einen klaren Vorteil bei der Positionierungsgenauigkeit und erreicht dank seiner Ultrabreitbandeigenschaften eine Präzision im Zentimeterbereich (typischerweise 10–30 cm), die von anderen Schmalbandsystemen kaum erreicht wird. Darüber hinaus können UWB-Signale Hindernisse wie Wände, Böden und Maschinen durchdringen und eignen sich daher ideal für komplexe Industrieumgebungen.

Theoretisch kann UWB bis zu 200 Meter abdecken. In großen, offenen Räumen benötigen Sie weniger Geräte, um die gleiche Fläche abzudecken. Im Gegensatz dazu hat Bluetooth AOA eine geringere Reichweite und wird maßgeblich von der Installationshöhe beeinflusst.

Möchten Sie diese Lösungen in Aktion sehen? Wir haben sowohl Bluetooth AOA- als auch UWB-Positionierungssysteme im MOKO-Werk eingesetzt. Kontaktieren Sie uns für eine Demo-Video!

Störfestigkeit

Bei gleicher Datenübertragungsrate übertrifft UWB Bluetooth in puncto Störfestigkeit. Das von Bluetooth genutzte 2.4-GHz-Frequenzband ist aufgrund von Störungen durch verschiedene Geräte und Netzwerke zunehmend überlastet. UWB hingegen nutzt sein höheres Frequenzband und seine einzigartigen Signaleigenschaften, um auch in komplexen drahtlosen Umgebungen eine absolut zuverlässige Leistung zu gewährleisten.

Energieverbrauch

Im Vergleich des minimalen durchschnittlichen Stromverbrauchs liegt BLE in der Regel vorne, da es weniger Strom verbraucht als UWB. Interessant ist jedoch, dass der Unterschied in realen Anwendungen aufgrund des Betriebsmodus der Tags möglicherweise nicht so drastisch ist! Im BLE AOA- oder UWB-Cloud-Computing-Modus verbringen Tags die meiste Zeit im Ruhemodus und werden nur aktiviert, um Signale zu senden, während das Netzwerk Positionsberechnungen durchführt. Ihre Lebensdauer kann bis zu ein bis zwei Jahre betragen. Im geräteseitigen Computing-Modus, in dem Tags länger aktiv bleiben müssen, kann sich ihre Lebensdauer drastisch auf nur wenige Wochen oder Tage reduzieren.

Herausforderungen bei der Bereitstellung

In der Praxis ist die Implementierung von UWB TDoA in der Regel einfacher. Die zeitbasierten Algorithmen sind relativ einfach, während Bluetooth-AOA-Systeme mehrere Kalibrierungspunkte benötigen – Zeit, Winkel und Ankerpositionen müssen alle genau stimmen.

Darüber hinaus gewährleistet UWB eine hohe Genauigkeit in verschiedenen Umgebungen, einschließlich komplexer Gebäudestrukturen. Doch Bluetooth AOA reagiert empfindlicher auf Umgebungsveränderungen. Manchmal ist eine zusätzliche Kalibrierung oder zusätzliche Basisstationen erforderlich, um in anspruchsvollen Umgebungen eine optimale Leistung zu gewährleisten.

Kosten und Skalierbarkeit

Kommen wir nun zu den Kosten. Bluetooth AOA- und UWB TDOA-Basisstationen liegen preislich in einer ähnlichen Größenordnung, unterscheiden sich jedoch deutlich bei den Tag-Kosten. Bluetooth AOA-Tags sind günstiger als ihre UWB-Pendants – ein Unterschied, der sich bei großflächigen Implementierungen deutlich bemerkbar macht. Die kostengünstigen Bluetooth AOA-Tags können Ihnen erhebliche Kosten sparen, wenn Sie mehrere Anlagen verfolgen möchten.

Vergleichstabelle von UWB vs. BLE RSSI vs. BLE AoA

BLE-RSSI BLE AoA UWB
Standards/Protokoll Bluetooth 4.0 + Bluetooth 5.1 + IEEE 802.15.4z
Typische Genauigkeit 2-5m 0.5-1m O,1-0.3 m
Tag-Stromverbrauch Niedrig Niedrig Verwendung
Viele Anschlussmöglichkeiten Nicht-Sichtverbindungsfähig Sichtlinie zu 3+ Ankern erforderlich Sichtlinie zu 4 Ankern erforderlich
Störungsschutz schlecht Mäßig (besser als RSSI) Ausgezeichnet
Erleichterte Installation Einfache Beacon-Platzierung Komplexer Aufbau und Kalibrierung des Antennenarrays Standard-Ankermontage mit Kalibrierung
Skalierbarkeit Hoch (viele Geräte werden unterstützt) Verwendung Schwierig
Tag-Kosten Niedrig Niedrig Hoch
Infrastrukturkosten Niedrig ($) Mittel ($$) Hoch ($$$)

UWB oder BLE: Die Wahl für die Indoor-Positionierung

Die Wahl der richtigen Indoor-Positionierungslösung ist keine allgemeingültige Entscheidung. Verschiedene Faktoren müssen berücksichtigt werden: Umgebung, Systemarchitektur, vorhandene Infrastruktur, Budget und natürlich die Positionsgenauigkeit. Wenn hohe Genauigkeit erforderlich ist, sind UWB und BLE AoA die beste Wahl. Ist Präzision nicht Ihre oberste Priorität, ist Bluetooth RSSI-Positionierung möglicherweise die beste Lösung – praktisch und kostengünstig.

Für hochpräzise Positionsbestimmung hängt die Wahl zwischen Bluetooth AOA und UWB maßgeblich von Ihrem spezifischen Anwendungsfall ab. Wenn Sie eine begrenzte Anzahl hochwertiger Vermögenswerte mit extremer Präzision verfolgen möchten, ist UWB TDoA wahrscheinlich die beste Wahl. Wenn Sie zahlreiche Vermögenswerte mit relativ hoher Genauigkeit verfolgen möchten, sind die niedrigeren Tag-Kosten und die hohe Präzision von Bluetooth AOA möglicherweise die richtige Wahl. Vergessen Sie nicht die Systemkompatibilität – Bluetooth-Positionierung wird von verschiedenen Geräten breiter unterstützt. Die UWB-Integration erfordert jedoch in der Regel speziellere Hard- und Software.

Hier bei MOKO SMART geht es uns darum, Ihnen die IoT-Geräte zu besorgen, die Ihren Bedürfnissen entsprechen. Unsere Produktpalette umfasst verschiedene Bluetooth-Beacons, Sensoren, BLE AoA-Tags sowie unsere UWB-Tags. Wir überhäufen Sie nicht einfach mit Technologie – wir helfen Ihnen, herauszufinden, welche Geräte für Ihre spezielle Situation sinnvoll sind.

Geschrieben von --
YK Huang
YK Huang
YK ist ein erfahrener Produktmanager in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von MOKOSMART mit über zehn Jahren Erfahrung in der Entwicklung intelligenter Geräte. Er ist PMP- und NPDP-zertifiziert und verfügt über umfassende Kenntnisse in der Führung funktionsübergreifender Teams. Dank datenbasierter Erkenntnisse konnte er über 40 vernetzte Produkte erfolgreich auf den Markt bringen. Mit seinem Hintergrund in Elektronik und Ingenieurwesen ist YK in der Lage, komplexe technische Wertversprechen in benutzerfreundliche IoT-Lösungen für Verbraucher- und Industrieanwendungen zu transformieren.
YK Huang
YK Huang
YK ist ein erfahrener Produktmanager in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von MOKOSMART mit über zehn Jahren Erfahrung in der Entwicklung intelligenter Geräte. Er ist PMP- und NPDP-zertifiziert und verfügt über umfassende Kenntnisse in der Führung funktionsübergreifender Teams. Dank datenbasierter Erkenntnisse konnte er über 40 vernetzte Produkte erfolgreich auf den Markt bringen. Mit seinem Hintergrund in Elektronik und Ingenieurwesen ist YK in der Lage, komplexe technische Wertversprechen in benutzerfreundliche IoT-Lösungen für Verbraucher- und Industrieanwendungen zu transformieren.
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