UWB vs. Bluetooth: Qual oferece melhor precisão de posicionamento em ambientes internos?

Entramos de fato na era do posicionamento interno – seja por meio de sistemas de rastreamento de ativos, serviços baseados em localização ou ferramentas avançadas de navegação, o posicionamento interno está revolucionando a forma como interagimos com espaços fechados. A demanda por posicionamento interno preciso tende a se intensificar – a Markets and Markets projeta que o mercado de posicionamento interno alcançará $ 31.4 bilhões até 2029! Mas o sucesso da implementação depende da escolha da tecnologia certa – a confiabilidade de qualquer sistema de posicionamento interno depende do seu método de rastreamento subjacente. Neste artigo, comparamos dois concorrentes líderes no mercado – Banda Ultralarga (UWB) e Bluetooth de Baixa Energia (BLE) – para ajudar você a determinar qual tecnologia melhor se adapta às suas necessidades de posicionamento interno.

Tecnologias de posicionamento interno disponíveis hoje

Quando estamos fora de casa, frequentemente confiamos no GPS para nos orientar. Ele capta sinais de satélites que orbitam a Terra e atinge uma precisão de aproximadamente 5 a 20 metros. No entanto, o GPS tem suas limitações: ao entrarmos em um prédio ou irmos para o subsolo, os sinais dos satélites ficam distorcidos. Como resultado, o GPS se torna muito menos preciso em ambientes fechados.

É aqui que entram os sistemas de posicionamento Bluetooth e Wi-Fi. Essas tecnologias, baseadas na intensidade do sinal recebido, podem nos ajudar a localizar objetos e pessoas a poucos metros de distância, tornando-as adequadas para navegação interna básica. Mas a tecnologia está avançando – novas tecnologias, como UWB e Bluetooth 5.1, visam oferecer precisão submétrica ainda maior, de apenas alguns centímetros. Isso possibilita aplicações internas de alta precisão para interação com diversos atores no ambiente, como controle de acesso sem o uso das mãos, rastreamento de ativos e muito mais.

O que é UWB e como ele fornece localização

UWB é uma tecnologia sem fio de curto alcance que opera por meio de radiofrequências de baixa potência. Ela opera em uma largura de banda de pelo menos 500 MHz, de 3.1 a 10.6 GHz. Você pode se perguntar se essa faixa interfere em outras tecnologias. Na verdade, não. Eis o porquê: a UWB transmite dados por meio de pulsos de nanossegundos sem onda portadora, utilizando níveis de potência incrivelmente baixos – apenas -41.3 dBm/MHz. Nos últimos anos, a emenda IEEE 802.15.4z aprimorou as camadas MAC e PHY para fins de alcance e localização.

A UWB oferece principalmente quatro métodos para posicionar objetos e pessoas:

• ToA (hora de chegada)
• TDoA (Diferença de Horário de Chegada)
• TWR (alcance bidirecional)
• AoA (Ângulo de Chegada)

Vale ressaltar que a maioria das empresas que escolhem UWB para rastreamento de ativos preferem TDoA devido ao seu baixo consumo de energia, o que prolonga a vida útil da bateria da etiqueta.

UWB TDoA vs ToA vs TWR vs AoA

A técnica TDoA é muito semelhante à ToA, pois ambas se baseiam na medição do tempo de propagação do sinal. No entanto, a TDoA tem uma vantagem inteligente: necessita apenas da sincronização de tempo do receptor, não de tempo absoluto. Na TDoA, as etiquetas transmitem sinais para âncoras, que retransmitem os dados para um servidor central. O mecanismo de posicionamento no servidor calcula então as diferenças de tempo de chegada para determinar a localização da etiqueta, alcançando uma precisão de 10 a 30 centímetros. Para realizar esse cálculo, o servidor precisa de registros de tempo de, no mínimo, quatro âncoras.

O TWR funciona de forma diferente, dependendo do alcance individual da âncora-tag, mas é mais complexo – exigindo nove mensagens de ida e volta para um único cálculo de posição. Quanto ao AoA? Bem, é mais caro e menos preciso, e não é a opção mais popular em posicionamento UWB.

Como o Bluetooth habilita a localização

Bluetooth é uma tecnologia de rádio de salto de frequência que transmite dados em pacotes e opera na faixa de 2.4 GHz. Existem duas categorias principais: Bluetooth Clássico (versões 1.0-3.0) e Bluetooth de Baixa Energia (BLE, versão 4.0 e posteriores). A principal diferença? Consumo de energia! O BLE foi projetado especificamente para aplicações de baixo consumo de energia.

Bluetooth RSSI vs Bluetooth AoA/AoD

Antes do Bluetooth 5.1, o BLE era amplamente utilizado para posicionamento interno, utilizando RSSI (Indicador de Intensidade do Sinal Recebido) para medir a perda de trajetória e estimar as distâncias entre transmissores e receptores. No entanto, o rastreamento de ativos BLE tradicional se concentrava mais na proximidade do que na localização precisa – se você quisesse maior precisão, precisava implantar mais beacons na área.

Em 2019, o Bluetooth SIG atualizou a especificação principal 5.1 com recursos aprimorados de localização de direção. Essa especificação permite o rastreamento de ativos usando o Ângulo de Chegada (AoA) ou o Ângulo de Partida (AoD), utilizando conjuntos de antenas para determinar a direção do sinal, alcançando precisão de posicionamento de até 1 metro. O AoA requer múltiplas antenas no receptor, enquanto o AoD precisa ser implementado no transmissor.

Atualmente, a maioria das implementações comerciais ainda depende do RSSI devido à sua simplicidade e amplo suporte de hardware. No entanto, o Bluetooth AoA está gerando bastante interesse no mercado de posicionamento, combinando a relação custo-benefício do BLE com a precisão de nível UWB. A MOKO SMART já lançou tags e gateways que suportam esse posicionamento Bluetooth AoA de alta precisão.

No momento em que este artigo foi escrito, o Bluetooth 6.0 foi lançado, com foco no Bluetooth Channel Sounding. Ele utiliza o alcance baseado em fase (PBR) e o tempo de ida e volta (RTT) para um alcance preciso e seguro entre dispositivos. Mais aplicações de reconhecimento de distância aguardam nossa exploração!

Comparação de posicionamento UWB vs Bluetooth

Estamos testemunhando algumas batalhas emocionantes em tecnologias de posicionamento interno. UWB e Bluetooth estão causando impacto, mas cada um traz algo único. Vamos analisar UWB e Bluetooth AoA para compará-los.

Precisão e Cobertura

A UWB tem uma clara vantagem em precisão de posicionamento, alcançando precisão centimétrica (tipicamente de 10 a 30 cm) devido às suas características de banda ultralarga, difícil de igualar a outros sistemas de banda estreita. Além disso, os sinais UWB podem atravessar obstáculos, como paredes/pisos e máquinas, sendo, portanto, ideais para ambientes industriais complexos.

Teoricamente, o UWB pode cobrir até 200 metros. Em espaços amplos e abertos, serão necessários menos dispositivos para cobrir a mesma área. Em contraste, o Bluetooth AOA tem um alcance de cobertura menor e é significativamente afetado pela altura da instalação.

Quer ver essas soluções em ação? Implantamos sistemas de posicionamento Bluetooth AOA e UWB na fábrica da MOKO – entre em contato conosco para uma avaliação. vídeo de demonstração!

Resistência à interferência

Com a mesma taxa de transmissão de dados, a UWB supera o Bluetooth em resistência a interferências. A faixa de frequência de 2.4 GHz usada pelo Bluetooth está ficando bastante congestionada, com interferências de diversos dispositivos e redes. A UWB, no entanto, aproveita sua faixa de frequência mais alta e características únicas de sinal para manter um desempenho sólido, mesmo em ambientes sem fio complexos.

Consumo de energia

Em comparação com o consumo médio mínimo de energia, o BLE geralmente leva a melhor, consumindo menos energia do que o UWB. Mas aqui está a parte interessante: em aplicações reais, a diferença pode não ser tão drástica devido ao modo operacional das tags! No modo de computação em nuvem BLE AOA ou UWB, as tags passam a maior parte do tempo em modo de espera, despertando apenas para transmitir sinais enquanto a rede realiza os cálculos de posicionamento. Sua vida útil pode durar de 1 a 2 anos. Se usar um modo de computação do lado do dispositivo, em que as tags precisam permanecer ativas por mais tempo, sua vida útil pode ser drasticamente reduzida para apenas algumas semanas ou dias.

Desafios de implantação

Na prática, geralmente é mais fácil implementar o UWB TDoA. Seus algoritmos baseados em tempo são relativamente simples, enquanto os sistemas Bluetooth AOA exigem vários pontos de calibração — tempo, ângulo e posições de ancoragem precisam estar corretos.

Além disso, a UWB mantém alta precisão em diversos ambientes, incluindo estruturas de edifícios complexas. Mas e o Bluetooth AOA? Ele é um pouco mais sensível a mudanças ambientais. Às vezes, requer calibração extra ou pode exigir estações base adicionais para manter o desempenho ideal em alguns espaços desafiadores.

Custo e escalabilidade

Agora, falando em custos, as estações base Bluetooth AOA e UWB TDOA estão em uma faixa de preço semelhante, mas há uma diferença significativa no custo das etiquetas. As etiquetas Bluetooth AOA são mais acessíveis do que suas equivalentes UWB – uma diferença que realmente se reflete em implantações em larga escala. As etiquetas Bluetooth AOA, com seu custo-benefício, podem economizar bastante dinheiro se você planeja rastrear vários ativos.

Tabela de comparação de UWB vs BLE RSSI vs BLE AoA

UWB ou BLE: a escolha para posicionamento interno

Escolher a solução certa para posicionamento interno não é uma decisão única. Precisamos levar vários fatores em consideração: o ambiente, a arquitetura do sistema, a infraestrutura existente, o orçamento e, claro, a precisão do posicionamento. Se você precisa de alta precisão, UWB e BLE AoA são a solução ideal. Se a precisão não for sua prioridade, o posicionamento Bluetooth RSSI pode ser sua melhor aposta – é prático e econômico.

Para posicionamento de alta precisão, a escolha entre Bluetooth AOA e UWB depende do seu caso de uso específico. Se você estiver rastreando um número limitado de ativos de alto valor com extrema precisão? UWB TDoA é provavelmente a sua melhor aposta. Se você estiver procurando rastrear vários ativos com uma precisão "muito boa"? Os custos mais baixos de marcação e a precisão decente do Bluetooth AOA podem ser a solução. Não se esqueça da compatibilidade do sistema – o posicionamento Bluetooth é mais amplamente suportado em vários dispositivos. No entanto, a integração UWB normalmente requer hardware e software mais especializados.

Aqui na MOKO SMART, nosso objetivo é fornecer os dispositivos IoT que atendem às suas necessidades. Nossa linha de produtos inclui diversos Beacons Bluetooth, sensores, tags BLE AoA, além de nossas tags UWB. Não apenas jogamos tecnologia para você – nós o ajudaremos a descobrir exatamente quais dispositivos fazem sentido para sua situação específica.