В прошлой статье мы с вами обсудили основные задачи, которые ставят перед системами позиционирования, узнали про два главных подхода к построению таких систем и четыре метода определения местоположения. В этой части перейдем к практике и рассмотрим три самых популярных стандарта для систем позиционирования: RFID, BLE и UWB. Приступим.
RFID
Radio Frequency Identification - радиочастотная идентификация. Это, строго говоря, не одна технология, а целое семейство. Важно разделять LF/HF/UHF, активные/пассивные метки и конкретные стандарты. Мы по ним пробежимся, но пока запомним главное.
Есть метка и есть считыватель. Считыватель светив в эфир, метка отвечает своим ID, система понимает, какой объект сейчас в зоне чтения. Это, в первую очередь, про факт обнаружения или прохождение объекта через контрольную точку. Главный кейс использования RFID - пассивная метка. Т.е. энергию для ответа ей передает считыватель. В такой конфигурации получаем очень дешевые метки.
LF (Low Frequency, обычно 125/134.2 кГц) - низкочастотный RFID с короткой дистанцией чтения, часто от нескольких сантиметров до десятков сантиметров, реже больше при специальных антеннах. На этих частотах система в основном работает в ближнем поле (индуктивная связь), то есть энергия передается магнитной связью, а не классической радиоволной.
Из плюсов получаем стабильность в сложной среде, меньшую чувствительность к воде и к ориентации метки, способность работать в том числе в грязи. Последнее актуально для промышленности и агрокомплекса.
Из минусов маленькая дальность, низкая скорость обмена, ограниченная массовость чтения в потоке. То есть когда рядом несколько меток.
HF (High Frequency, 13.56 МГц; сюда же NFC как частный случай) - тоже ближнее поле, но обычно с большей скоростью и более развитой экосистемой карт/смарт-меток. Типичная дистанция - от касания до десятков сантиметров, в отдельных конфигурациях больше, но это уже не типовой режим.
Оч��нь популярный формат и не случайно. Тут живут зрелые обкатанные стандарты привычные нам в платежах, пропусках, билетах и так далее.
Из плюсов получаем баланс надежности и функциональности, относительно простую инфраструктуру, хорошая повторяемость сценариев "поднеси и считай".
Из минусов. Дальность все еще ограничена. Металл и неправильный монтаж могут сильно влиять на чтение. Для инвентаризации с тележки или через рамку HF обычно не лучший выбор.
UHF (Ultra High Frequency, обычно 860–960 МГц, чаще EPC Gen2/RAIN RFID) - это уже другая лига по дальности и производительности. Здесь легко получить метры чтения и читать много меток в зоне, поэтому UHF доминирует в логистике, ритейле, складах, цепочках поставок.
По плюсам получаем скорость инвентаризации, чтение пачек объектов, реальная экономия ручного труда.
Минусы в высокой чувствительности к радиосреде. Враги UHF - это металл, жидкости, плотная укладка, ориентация метки, поляризация антенн, переотражения. В сложных геометриях без нормального радиообследования UHF может вести себя капризно.
Если подбить вышесказанное, то:
Нужна надежная считка с близкого расстояния в тяжелой среде - это LF.
Нужен контролируемый обкатанный сценарий "поднес/считал" и совместимость с картами/смартфонами - это HF/NFC.
Нужен потоковый учет, дальность в метры и чтение многих меток сразу - это UHF.
Отдельная тема - тип метки: пассивная, полупассивная, активная.
Пассивная метка живет без батарейки и стоит копейки, но зависит от поля считывателя и условий работы.
Полупассивная метка: батарейка есть, она питает чип/датчики, но ответ в эфир метка формирует как пассивная. Такой подход повышает стабильность, чип не может просесть по питанию из-за того, что энергия волны куда-то делась (читай, раньше времени убрали считыватель). С другой стороны, батарейка тут выедается не так быстро, как в типе ниже.
Активная (с батареей) дает большую дальность и дополнительные режимы телеметрии, но теряет главное преимущество RFID - сверхдешевая массовая маркировка ТМЦ.
Поэтому в реальных внедрениях выбор почти всегда упирается в экономику: насколько велика стоимость ошибки и сколько мы потеряем в случае ее возникновения.
Теперь о позиционировании.
Как ни странно, у RFID есть несколько уровней точности, потому он решает не только задачу есть/нет в периметре. Хотя это самый массовый его режим. Если метка прочитана рамкой ворот или ручным ТСД (терминал сбора данных), то объект на складе.
С зональным позиционированием RFID тоже справится. Ставим несколько антенн вокруг участка и, по факту чтений, определяем, в какой зоне вероятнее всего метка находится. Иногда добавляют RSSI от RFID-ридера и простую логику выбора "самой вероятной" антенны. Правда на границах зон будет дрожание. Кроме того, можно словить ошибку от ориентации метки и переотражений. Переложили коробку на металлический поддон - и зона может “переехать” без фактического перемещения.
Это хороший режим для операций, где важен участок, а не точка на плане.
Внезапно, но RFID умеет и в координаты. Для этого используют фазу сигнала, иногда антенные решетки и несколько ридеров, чтобы оценивать направление и улучшать локализацию.
Тут палка о двух концах. С одной стороны мы RFIDом получаем решение задчи координат объекта. С другой - сложность нашей системы растет на порядок. Синхронизация, калибровка, геометрия установки, чувствительность к различным путям прохождения сигнала. В общем, тут не стоит увлекаться. Как примерный вариант получения координат еще куда ни шло, но для точного позиционирования лучше использовать другие технологии.
Главная проблема при внедрении RFID - это, конечно, зависимость от разных поверхностей и радиоусловий. Метка, наклеенная на книгу и на кусок железа будет вести себя абсолютно по-разному. А недооценка помех или некачественный монтаж антенны сведут на нет весь эффект от входной рамки.
Но чем RFID берет и рвет конкурентов, так это ценой. Метки за несколько рублей тут реальность. Конечно, очень много нюансов и та же метка для металла оказывается дороже уже на два порядка. Тем не менее за такие цены RFIDу прощают многие его недостатки и ограничения.
BLE
BLE (Bluetooth Low Energy) - Bluetooth с пониженным потреблением энергии. Это версия Bluetooth, заточенная под экономию батареек оконечных устройств. Ключевая идея простая: устройство большую часть времени спит, просыпается короткими сеансами, быстро передает небольшие порции данных и снова засыпает. Именно поэтому BLE живет в датчиках, маяках, браслетах, трекерах и IoT-устройствах на батарейке.
Есть ли разница между BLE и обычным Bluetooth? Есть.
Bluetooth Classic (BR/EDR) - классический Bluetooth, исторически для непрерывных потоков и более "тяжелых" сессий (аудио, потоковая передача данных между устройствами и пр.).
BLE - режим Bluetooth для коротких энергоэффективных обменов, телеметрии и событий.
Обе вариации входят в одно семейство стандартов Bluetooth, но ведут себя по-разному на уровне радиопротокола и профилей применения. BLE, как нетрудно догадаться, экономит на чем может:
Короткие пакеты и короткие окна активности.
Длинные интервалы сна между обменами.
Гибкая настройка интервалов отправки/приема пакетов под задачу.
После этих ухищрений получаем неплохой выигрыш: месяцы и годы работы от батарейки при правильных сценариях.
Минусы тоже есть: если заставить BLE передавать много и часто, он перестает быть "сверхэкономичным". Физику не обманешь: высокая частота пакетов и длинные сессии требуют энергии. Электроэнергии.
В BLE предусмотрено несколько режимов:
Advertising - устройство шлет в эфир сигнал обнаружения.
Scanning - другое устройство слушает эти сигналы.
Connection - устанавливается сессия с обменом данными и параметрами.
Для маяков и простого присутствия часто хватает advertising/scanning без постоянного соединения. Для датчиков и управления обычно нужен connection.
Кроме того, с точки зрения технологий BLE несколько развил и прокачал традиционные инструменты. Там есть два интересных подхода:
Channel Sounding - это новый режим "точного дальномера". Вместо грубой оценки по RSSI устройства измеряют расстояние с помощью обмена специальными пакетами RTT (Round-Trip Time) и PBR (Phase-Based Ranging). Поэтому BLE лучше решает задачу не просто определения объекта в зоне, но и насколько он реально близко. Это очень важно в сценариях доступа и цифрового ключа, где нужна защита от подмены расстояния.
Fingerprinting - другой подход. Сначала на объекте собирают радиокарту (отпечатки уровней/сигнатур BLE по точкам), потом в работе сравнивают текущие измерения с этой картой и выбирают наиболее вероятную позицию. Это заметно стабильнее голого RSSI в сложных помещениях. Но очевидно, что это серьезная нагрузка на вычислительные мощности метки и зависимость качества от актуальности радиокарты.
На выходе имеем, что BLE может работать в разных режимах, от которых зависит точность.
BLE по RSSI (простой уровень сигнала) обычно измеряет точность в диапазоне один-десять метров. Это базовый и самый дешевый вариант.
BLE Direction Finding (в основе лежит AoA/AoD): может давать вплоть до сантиметровой точности при правильной инфраструктуре (антенные решетки, геометрия якорей, калибровка). Но прямо с сантиметрами надо постараться, реальная цифра будет порядка 0,3-0,5 метров.
BLE Channel Sounding (тот самый RSSI на стероидах): аналогично заявляется сантиметровая точность и на деле ±20 см в благоприятных условиях достичь вполне реально.
С точки зрения позиционирование BLE, закрывает все четыре вида задач, комбинируя для этого разные методы.
Определение положения в периметре делается через RSSI. Там уровня сигнала более чем хватает.
Для зонального позиционирования так же можно использовать RSSI, а можно привлечь AoA/AoD. Углы усложнят инфраструктуру, но покажут направление.
Определение координат и real-time tracking так же возможны и работают в режимах Direction Finding и Channel Sounding. Но тут целая куча нюансов.
Дело в том, что BLE критичен к инфраструктуре. Для нормальной работы ему нужно много анкеров/маяков, расположенных грамотно. При неудачном расположении или недостаточном числе точность BLE резко проседает. Впрочем, полноценного радиопланирования (как тот же UWB) BLE не требует и в этом его плюс. Маяки могут располагаться относительно хаотично.
UWB
UWB (Ultra-Wideband) - переводится как ультраширокополосный. Как вы поняли, создатели сильно сэкономили на времени, которое они придумывали название технологии. Зато все остальное тут класса люкс.
Ключевой механизм - измерение времени пролета сигнала (ToF), часто в двухстороннем обмене (TWR) или через разность времен прихода (TDoA) в сети якорей. Уже звучит круто.
Если на пальцах, то UWB работает как раз на основе измерения задержек. Вроде просто, скорость радиоволны нам известна, по паузе между отправкой сигнала и его прихода на приемник можем понять время. Но есть нюанс. Буква U не просто так в названии технологии. Сигнал тут не просто широкополосный, а ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ШИРОКОПОЛОСНЫЙ. Порядка 500 МГц (!!!).
Зачем? Все просто. Чем шире полоса сигнала, тем точнее система определяет время прихода сигнала. Почему так?
Есть правило, которое следует из прямого преобразования Фурье. Узкополосный сигнал плохо локализуется по времени, тогда как широкополосная “размазня” делает это удивительно хорошо. И чем шире полоса, тем лучше локализация.
Если приводить бытовой пример, то представьте звук, который состоит из одного чистого тона (например, только 440 Гц). Он звучит долго и ровно, но момент старта на шумном фоне поймать трудно. Иное дело щелчок или удар. Это смесь многих частот, и момент его начала ухом определяется намного легче. UWB для тайминга - это ближе к щелчку, чем к чистому тону.
Отсюда несколько выводов.
Во-первых, широкая полоса позволяет минимизировать ошибку по времени, а значит и по расстоянию. Ведь даже крохотное отклонение по времени получения сигнала резко увеличивает погрешность позиционирования.
Во-вторых, легче отделять прямой луч от отражений. В помещении сигнал приходит не одним путем, а несколькими: прямой, от стены, от металла, от пола. Узкополосный сигнал часто накладывает эти приходы друг на друга и размазывает картинку. А UWB легче позволяет увидеть прямой путь отдельно. Это критично для позиционирования, потому что отраженный путь всегда завышает дистанцию.
В-третьих, при той же суммарной энергии передача распределяется по широкой полосе, поэтому спектральная плотность мощности в каждом 1 МГц маленькая. Отсюда возможность вписать UWB в регуляторику. Можно работать в широкой полосе, но с очень низкой мощностью "на мегагерц", чтобы меньше мешать другим системам.
Когда я только разбирался с этой технологией у меня первый вопрос был - где ее вообще разворачивать с такой-то шириной? Она ж ни в один нелицензируемый поддиапазон не влезет.
Однако, в России его можн�� использовать на участке 2,85–10,6 ГГц (решение ГКРЧ № 07-20-03-001). Для диапазона разбивка идет по подполосам с ограничениями по спектральной плотности ЭИИМ (дБм/МГц). Например, в таблице прямо указаны подполосы 6000–8100 МГц (–47 дБм/МГц), 8100–8625 МГц (–65 дБм/МГц), 8625–9150 МГц (–47 дБм/МГц), 9150–10600 МГц (–45 дБм/МГц). Для части режимов есть условия "только внутри закрытых помещений", а для части строк таблицы указано "нет ограничений по территории".
По точности UWB достигает нескольких сантиметров, однако типовые значения 0,1-0,5 метра. Вы можете спросить - ну и зачем такой монстр, если на выходе это близко к BLE? На самом деле, в одинаковых условиях BLE вряд ли сможет показать такую же точность. UWB - это про стабильность и умение работать в сложных местах. В среднем он все же превосходит BLE по точности.
Что по кейсам использования?
Положение в периметре. Вообще легко, просто с закрытыми глазами. Но строить UWB для положения в периметре - адская расточительность. Технология может куда больше, а стоит столько, что RFID остается лишь завистливо вздыхать.
Зональное позиционирование. UWB здесь дает стабильный переход между зонами в сложной среде, где RSSI-подходы начинают "дрожать" на границах.
На складе с металлом, тележками и людьми это особенно заметно: соседние зоны не так часто "перепрыгивают" друг в друга из-за случайных отражений.
Но и тут надо помнить о компромиссе: если бизнесу достаточно грубых зон, UWB опять может оказаться дорогим решением для простой задачи.
Определение координат. Вот здесь UWB начинает раскрываться по-настоящему. Обычно используют ToF/TWR (подсчет дистанции по времени пролета пакета) или TDoA (метка рассылает пакет, его приход фиксируют несколько анкеров).
Оба подхода рабочие, но выбираются под разный масштаб и энергобюджет: TWR берут на меньшее проекты, ибо с ним быстрее развертка. TDoA лучше масштабируется на большие парки меток при хорошем контуре синхронизации. Но и требований к развертке там больше.
Real-time tracking - это, собственно то, ради чего UWB и создавался. При грамотно установленных и настроенных анкерах работать будет просто исключительно. Не страшно даже отсутствие прямой видимости. UWB с этим справляется лучше всех альтернатив. Хотя понимаем, что физику не обманешь и бывают условия, в которых начнет лагать даже такая серьезная технология.
Скрытый текст
Мне довелось разворачивать UWB на заводе гусеничной техники. Помещения - жесть. Горами лежат металл, кабины, траки, запчасти. Все ангары железные. Я честно думал, что не заведется.
С первого раза и не завелось. Но немного посидели над калибровкой и я с удивлением увидел, как метки стали носиться в цеху, точно отображая траектории своих владельцев. И ничто им не мешало. Тогда я был очень впечатлен двумя вещами: стабильностью работы UWB и бюджетом, в который встал весь проект. Бюджет был прямо сильно выше среднего. Один только анкер стоит порядка 300 долларов. Помещение в 1000 квадратов - минимум четыре анкера, лучше шесть-семь. Плюс метки по 50-100 долларов в зависимости от исполнения и отдельной статьей расходов - софт. Бюджетностью в таком проекте даже не пахнет.
Конечно у всех есть свои слабости. Помимо радиоусловий, для UWB есть два тонких момента.
Первое - это геометрия инфраструктуры. Даже хорошие измерения можно испортить неудачным расположением анкеров. Если они стоят почти на одной линии, слишком близко или в радиотени, ошибка по дальности резко усиливается в ошибку по координате. На практике это одна из самых частых причин "нестабильной точности".
Второе - сложность внедрения по сравнению с BLE-маячками. UWB-система для позиционирования требует проектирования сети якорей, калибровки, проверки синхронизации (особенно для TDoA), настройки фильтров и регулярного мониторинга качества измерений. То есть это не формат, когда можно расклеить маяков и все заведется.
Отдельный разговор - энергия и стоимость метки.
UWB-метка сложнее и дороже базового BLE-маяка, а частый обмен пакетами увеличивают расход батареи.
Отсюда появляется архитектура “точность по запросу”. То есть частота пакетов адаптивна. Пока объект в обычном режиме - редкие обновления.
В опасной зоне, в узком проходе или при каких-то кастомных кейсах частота измерений повышается. Так система экономит батарею, но сохраняет точность там, где ошибка стоит дорого.
Ну и деньги. Нет, этот монстр не будет стоить дешево.
Два слова про безопасность
Когда речь заходит о деньгах или доступе в охраняемую зону, простого факта “сигнал есть” уже недостаточно. Злоумышленник может попытаться провести атаку “удлинения провода” (Relay Attack), перехватив и ретранслируя ваш сигнал, чтобы система решила, будто вы находитесь рядом. Хотя вы за километр.
Вот здесь и вступает в игру такой параметр как безопасное измерение дистанции. UWB здесь чемпион: благодаря наносекундной точности измерения времени прохождения сигнала, он не только определяет расстояние, но и криптографически подтверждает, что это измерение - не подделка.
BLE 5.1+ с функцией Channel Sounding тоже обзавелся подобной защитой, но его точность изначально ниже, что оставляет немного больше пространства для потенциальных уязвимостей.
Пассивный RFID/NFC спасает его радиус действия. Чтобы провести атаку “удлинения провода”, там надо подойти близко-близко к источнику сигнала, буквально на десятки сантиметров. Сделать это незаметно сложно. Исключение - UHF. Потому UHF - это про учет, но не про безопасность.
Если речь все же про безопасность и радиус действия в несколько метров (например цифровые автомобильные ключи) UWB там вне конкуренции.
Финализируем
Что ж, мы окинули широким взглядом задачи позиционирования, базовые подходы, методы определения и даже вкратце прошлись по каждой из трех технологий. Пришло время подводить итоги. Так кто же лучше?
Как вы, наверное, догадались, просто лучшего нет. Каждой задаче своя технология. Ниже приведена таблица, где сведено все, о чем было написано ранее.
Критерий | RFID | BLE | UWB |
Базовый принцип | Детекция метки ридером, иногда фазовые/зональные методы, доп. методы (PDoA) | Оценка по уровню сигнала (RSSI) или углу прихода (AoA) | Измерение времени пролета (ToF/TWR/TDoA) |
Типичная точность позиционирования | Зона чтения: 1–5 м | RSSI: 2–10 м; AoA: 0.5–3 м (при хорошей инфраструктуре) | Обычно 0.1–0.5 м (при хорошей геометрии) |
Стабильность в сложном помещении | Чувствителен к ориентации метки, металлу, жидкости | RSSI сильно плавает из-за многолучевости; AoA лучше, но требовательнее | Лучше переносит многолучевость, но непрямая видимость все равно может дать смещения |
Энергопотребление метки | Пассивная метка - без батареи (главный плюс) | Низкое, батарея живет долго: месяцы, годы | Выше BLE при частом обмене сигналами: дни, недели |
Инфраструктура | Ридеры/антенны в контрольных точках, порталы | Шлюзы/маяки; для AoA - специализированные антенны | Анкера с точной калибровкой и продуманной геометрией |
Стоимость тега | Самая низкая (пассивные метки обычно рубли- десятки рублей) | Низкая/средняя (активные BLE-метки) | Самая высокая из трех (UWB-теги/чипы дороже) |
Стоимость инфраструктуры | Средняя/высокая (особенно при плотном покрытии) | Низкая/средняя (RSSI), средняя/высокая (AoA) | Высокая (анкера, монтаж, калибровка, сервис) |
Итоговая стоимость владения (TCO) | Отлична для учета событий "вход/выход" | Часто лучший компромисс цена/функциональность | Оправдана, когда критична высокая точность и стабильность |
Масштабирование по числу объектов | Очень хорошее (за счет дешевых пассивных меток) | Хорошее | Хорошее, но дороже на объект |
Безопасная проверка близости | Ограниченно. Особенно касается UHF | Ограниченно (риск ошибки выше) | Высокая |
Ключевые плюсы | Дешевые метки, без батареи, массовость | Дешевая экосистема, везде есть BLE, быстрое внедрение | Высокая точность, направление/дистанция, устойчивее для точного позиционирования |
Ключевые минусы | Не "координаты в реальном времени" по умолчанию; физические ограничения чтения | RSSI нестабилен; AoA сложнее и дороже | Цена, сложность проектирования, чувствительность к непрямой видимости/геометрии |
Если сделать короткий вывод, то он будет такой.
Положение в периметре: однозначно RFID.
Зональное позиционирование: RFID/BLE.
Координаты: BLE/UWB. Надо смотреть на требования и бюджет.
Real-time tracking: UWB и в отдельных случаях подойдет BLE.
Но это очень усредненный подход. В реальности надо учитывать техзадание, ограничения и бюджет заказчика. На этом мы заканчиваем наш обзор. Надеюсь, что он был вам полезен.
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
