Les technologies de positionnement extérieur comme le GPS, Beidou et le GNSS sont très en vogue aujourd'hui et largement utilisées. Leur intégration est remarquable dans des applications comme Google Maps. Pourtant, nous passons près de 90 % de notre temps à l'intérieur, où les signaux GPS sont peu performants. C'est pourquoi le positionnement RSSI est particulièrement prisé pour les emplacements intérieurs. Pour la communication Bluetooth, les valeurs RSSI indiquent la force du signal et la qualité de la connexion. Nous détaillerons ici le RSSI Bluetooth, notamment sa portée normale et son impact sur la communication Bluetooth.
RSSI (Received Signal Strength Indication) désigne la mesure de l'intensité du signal reçu par un appareil sans fil. En communication Bluetooth, les valeurs RSSI sont faciles à comprendre : elles représentent l'intensité du signal reçu par l'appareil Bluetooth et influencent directement la qualité et la distance de communication. Les valeurs RSSI Bluetooth sont généralement affichées sous forme de valeurs négatives en dBm. Des valeurs plus élevées (proche de 0) indiquent une meilleure intensité du signal. Théoriquement, la plage RSSI s'étend de 0 à -100 dBm.
La formule couramment utilisée est
Valeur RSSI = Puissance du signal reçu – Bruit de fond + Facteur d'étalonnage.
On ne saurait trop insister sur les avantages du Bluetooth RSSI, comme en témoignent ses nombreuses applications en intérieur. Avec le développement de nouvelles versions du Bluetooth, notamment grâce au développement de la technologie Bluetooth Low Energy, le positionnement Bluetooth RSSI deviendra encore plus accessible.
Les méthodes de localisation Bluetooth RSSI peuvent être principalement classées en localisation côté réseau et localisation côté terminal.
Le positionnement côté réseau comprend principalement les téléphones portables, les balises et passerelles Bluetooth, ainsi que les serveurs. Nous devons déployer des balises et des passerelles Bluetooth dans la zone cible. Lorsque le terminal pénètre dans la zone, il reçoit les données RSSI de la balise. La passerelle transmet ensuite les données collectées au serveur cloud, qui utilise ensuite l'algorithme de positionnement pour calculer la position de l'appareil. Plus la distance entre l'émetteur et le récepteur est proche, plus la puissance du signal est élevée.
Cette méthode présente l'avantage de centraliser les calculs sur le serveur cloud, et l'appareil mobile n'a plus qu'à scanner et à générer les données. L'inconvénient, bien sûr, est la nécessité de pré-déployer l'infrastructure nécessaire au positionnement.
L'architecture de localisation côté terminal est beaucoup plus simple et implique principalement l'appareil lui-même et les balises Bluetooth présentes dans la zone cible. Un terminal, tel qu'un smartphone, reçoit les données RSSI de différentes balises et utilise ensuite son algorithme de positionnement intégré pour estimer sa position.
Les deux méthodes nécessitent indéniablement le déploiement d'un certain nombre de balises Bluetooth dans la zone cible. En termes d'application, le positionnement côté réseau est principalement utilisé pour suivre et localiser les personnes et les biens, tandis que le positionnement côté terminal est plus adapté à la navigation en intérieur.
Il va sans dire que la clé de la localisation Bluetooth RSSI réside dans la conversion précise des données RSSI en coordonnées de position. Nous classons ici les algorithmes de positionnement Bluetooth RSSI en deux grandes catégories, selon qu'ils mesurent ou non la distance : les algorithmes nécessitant une mesure de distance et les algorithmes n'en nécessitant pas.
Mesure de distance requise
Examinons d'abord les algorithmes de localisation nécessitant des mesures de distance. Ce type d'algorithme doit d'abord estimer la distance entre l'appareil cible et un nœud de référence (par exemple, une balise) à l'aide des valeurs RSSI. Ensuite, en fonction des informations de distance obtenues, les coordonnées finales de l'appareil cible sont calculées.
(1) Trilatération
La trilatération est un algorithme de localisation relativement simple basé sur les principes géométriques des triangles. Supposons qu'il existe trois balises Bluetooth non colinéaires AP1, AP2 et AP3, dont les distances au point M cible sont respectivement d1, d2 et d3. Nous pouvons tracer trois cercles dont le centre est la position de ces trois balises et le rayon est respectivement d1, d2 et d3. Le point d'intersection de ces trois cercles correspond également aux coordonnées du point M cible.
(2) La méthode des moindres carrés
En réalité, nous déployons généralement plus de trois balises Bluetooth dans la zone cible. À ce stade, nous devons utiliser la méthode des moindres carrés pour estimer la position du nœud cible. En supposant que nous mesurions la distance entre chaque balise et le nœud cible M, nous pouvons obtenir une équation basée sur chaque couple distance/position de balise connu. En combinant toutes les équations, nous obtenons un système d'équations surdéterminées. Enfin, la résolution de ce système d'équations par la méthode des moindres carrés nous donne une estimation des coordonnées de position optimales du nœud inconnu M.
Aucune mesure de distance requise
Ces algorithmes utilisent directement les données d'empreinte RSSI pour la localisation. Il n'est pas nécessaire de calculer la distance au préalable, ce qui permet d'éviter efficacement l'erreur d'estimation de distance.
(1) Détermination du centroïde
Le centre de masse est un point imaginaire où la masse d'un système est considérée comme concentrée. La méthode de positionnement par centroïde estime l'emplacement du centroïde de sa forme géométrique à partir des positions des balises environnantes qu'elle reçoit. L'algorithme de cette méthode est simple à comprendre, l'effort de calcul est faible et la précision du positionnement dépend de la densité des balises déployées.
(2) Empreintes digitales RSSI
L'empreinte RSSI est une technique de localisation non paramétrique basée sur l'analyse de scène. Elle permet de localiser en comparant les signaux en temps réel à une base de données d'empreintes RSSI. Le positionnement par empreintes se déroule en deux étapes : 1) Une phase hors ligne permet de constituer la bibliothèque d'empreintes à partir des données RSSI intérieures. 2) Une phase de positionnement en ligne permet de trouver la meilleure correspondance d'empreinte avec le signal reçu, en utilisant sa localisation comme estimation de la position de la cible. Ses avantages résident dans une grande précision avec peu de points de référence, mais ses inconvénients incluent la complexité de la création de la base de données d'empreintes et la difficulté d'adaptation aux changements environnementaux.
Dans la section précédente, nous avons présenté différentes méthodes et algorithmes de mesure des valeurs RSSI Bluetooth. En pratique, il est difficile de définir l'environnement optimal ; la puissance du signal Bluetooth diminue donc à mesure que la distance de communication augmente. Le signal RSSI varie de 0 à 100, 0 étant le cas idéal, ce qui n'est pas le cas en pratique. Lorsque la valeur RSSI est proche de -50, les connexions Bluetooth sont bonnes.
– Au-dessus de -50 dBm : signal extrêmement fort pour la communication en champ proche
– -50 dBm à -80 dBm : intensité du signal idéale pour une utilisation normale à courte portée
– En dessous de -80 dBm : Signal très faible avec risque de perte de paquets et de déconnexions intermittentes
En Bluetooth Low Energy ( BLE), le RSSI est un paramètre essentiel. Le RSSI des canaux de diffusion périodiques est crucial pour la localisation, car les appareils mobiles les analysent sans connexion. Pour les appareils BLE, du fait de leur faible consommation, les valeurs de RSSI sont inférieures à celles du Bluetooth classique à distance égale. Afin d'obtenir une communication à faible consommation, la valeur standard du RSSI BLE est maintenue entre -50 et -80 dBm.
Grâce à la popularité de la technologie Bluetooth, nous utilisons souvent le Bluetooth de notre smartphone pour la navigation intérieure au quotidien. Aujourd'hui, presque tous les smartphones permettent de consulter la valeur RSSI Bluetooth de l'appareil connecté. Prenons l'exemple du système Android :
Pour vérifier et surveiller l'intégralité des valeurs RSSI Bluetooth, des outils professionnels tels que BLE Scanner et BLE Tool sont disponibles. En observant l'évolution de la valeur RSSI des appareils, nous pouvons obtenir une compréhension intuitive de la distance approximative et de la force du signal entre le téléphone et chaque appareil. Si nous déplaçons le téléphone, la valeur RSSI changera également. Il est intéressant de noter que les valeurs RSSI peuvent varier d'un appareil à l'autre à distance égale.
Malgré certains défis à relever, la technologie de positionnement Bluetooth basée sur RSSI reste prometteuse. Comme toute avancée, il est prometteur de voir le positionnement Bluetooth RSSI s'étendre à de nouveaux domaines. Parmi les applications courantes actuelles, on peut citer :
Navigation de positionnement en intérieur
Dans les grands espaces intérieurs tels que les centres commerciaux, les salles d'exposition, les musées, etc., le positionnement Bluetooth RSSI permet de fournir aux clients des itinéraires et des informations de localisation. Il permet également de guider l'ordre de visite des visiteurs dans les grandes expositions, évitant ainsi les problèmes d'affluence.
Gestion des actifs et du personnel
Dans les usines, les parcs et les hôpitaux, nous pouvons installer des balises et des étiquettes Bluetooth sur les équipements et le personnel importants. Associées au système de positionnement Bluetooth RSSI, elles permettent une surveillance et une gestion en temps réel.
Vente au détail intelligente et analyse commerciale
Dans le commerce de détail, le positionnement Bluetooth RSSI peut ouvrir de nouvelles perspectives de valeur ajoutée pour les commerçants. En suivant les trajectoires de déplacement et le temps de présence des clients, les commerçants peuvent analyser leurs comportements d'achat. Ainsi, les commerçants peuvent identifier efficacement les produits populaires et les zones à fort trafic, mettre en place leur plan promotionnel et organiser le placement de leurs employés.
Maison intelligente et positionnement intérieur
En déployant un petit nombre de balises Bluetooth dans les maisons, les propriétaires peuvent géolocaliser leurs employés et leurs animaux domestiques, par exemple en connaissant la position actuelle des personnes âgées ou des enfants pour éviter les accidents. De plus, les propriétaires peuvent régler automatiquement les appareils électroménagers (éclairage, température, etc.) en fonction de la localisation de l'utilisateur, offrant ainsi une véritable expérience de maison connectée.
Outre le positionnement basé sur le RSSI, une autre technique de positionnement, récemment apparue dans le domaine du Bluetooth, est appelée Bluetooth AoA (Average- Operate-Attachment). Elle détermine la position de l'appareil mobile en mesurant, par triangulation, l'angle d'arrivée du signal radio sur le réseau d'antennes. La précision potentielle du positionnement AoA peut théoriquement atteindre un mètre, voire plus, surpassant largement celle de la technologie RSSI traditionnelle.
Le principal avantage du positionnement RSSI réside donc dans l'absence d'infrastructure complexe et son coût relativement faible. Cependant, son principal inconvénient réside dans sa faible sensibilité aux conditions. Réputé pour sa grande précision, le positionnement AoA est plus précis que le positionnement RSSI. Bien sûr, il présente également des inconvénients, comme le coût élevé de l'infrastructure.
De plus, nous pouvons combiner ces deux technologies. Par exemple, après avoir estimé la zone spécifique où se trouve la cible grâce au RSSI, nous pouvons utiliser la méthode AoA pour un positionnement précis dans une zone donnée. Nous pourrons bientôt intégrer de nombreuses technologies connues comme le RSSI, l'AoA, etc., à d'autres technologies comme l'UWB afin d'exploiter le meilleur de chacune et de développer une solution de positionnement beaucoup plus précise et fiable.
La version Bluetooth 5.2, lancée en 2020, a considérablement amélioré ses capacités de positionnement, notamment la prise en charge du positionnement AoA/AoD et de l'étalonnage RSSI. Ces améliorations amélioreront encore la précision et la fiabilité du positionnement Bluetooth. Il ne fait aucun doute que les futures versions de Bluetooth continueront de renforcer les capacités de positionnement.
L'utilisation d'une seule technologie sans fil pour le positionnement présente des limites. L'intégration des avantages de plusieurs technologies constitue donc la tendance future. Par exemple, combiner le Bluetooth RSSI avec le positionnement par empreinte digitale Wi-Fi ou l'utiliser en conjonction avec des technologies plus précises comme l'UWB (Ultra-Wideband).
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