Wi-Fi®-Ortungskomponenten überwinden GNSS- und Mobilfunklücken für Ortungsanwendungen

Standortbezogene Dienste können bei der Verwaltung von Beständen von großem Vorteil sein, sind jedoch häufig mit einem erheblichen Verbrauch von Batteriekapazität verbunden, die einige IoT-Anwendungen praktisch lahmlegen könnte. Das globale Satellitennavigationssystem (GNSS) und die große Reichweite von Mobilfunkdiensten bieten relativ einfache Möglichkeiten zur Bestimmung der geografischen Position von Geräten. Diese weisen jedoch Abdeckungs- und Leistungslücken auf, die durch die wachsende Reichweite von Wi-Fi-Netzen ergänzt oder in einigen Fällen ersetzt werden können.

Der Goldstandard für die drahtlose Ortung ist das von den USA betriebene Global Positioning System (GPS), das Teil des GNSS ist, das mehrere regionale Satellitennavigationssysteme umfasst. Es kann jedoch mehrere Minuten dauern, bis ein GPS-Modem vom Kaltstart bis zur „Zeit bis zur ersten Ortung“ (TTFF) übergegangen ist, wobei eine erhebliche Batteriekapazität verbraucht wird. Es kann auch durch Sichtbehinderungen zwischen Satelliten und Empfängern, z. B. durch Gebäudemauern, behindert werden.

Feste Mobilfunk-Basisstationen können ebenfalls für „Ortungs“-Anwendungen genutzt werden. Die Mobilfunkortung verbraucht weniger Strom als GPS/GNSS, ist aber weniger genau. Die Mobilfunkortung kann je nach Art der verwendeten Mobilfunkmasten um Hunderte oder sogar Tausende von Metern abweichen. Dieser Mangel an Präzision könnte für Anwendungen wie die Verfolgung beweglicher Güter in großen Lagerhäusern oder auf Containerschiffen kritisch sein.

Wi-Fi kann genauer sein als die Ortung per Mobilfunk und ist fast genauso energieeffizient. Der Service Set Identifier (SSID), der für jedes Wi-Fi-Netz eindeutig ist, und der Basic Service Set Identifier (BSSID), der für jedes Zugangsgerät eindeutig ist, bieten eine attraktive Ortungsmöglichkeit, aber die meisten integrierten Wi-Fi-Schaltkreise sind für diese Aufgabe nicht optimiert und sind im Allgemeinen teuer, sperrig und stromhungrig.

Nordic Semiconductor bietet Komponenten an, mit denen flexible Anwendungen erstellt werden können, die sich auf Kombinationen von Wireless-Technologien sowie einen Cloud-basierten Service stützen, um Leistungs- und Abdeckungsprobleme zu lösen.

Der Wert der Wi-Fi-Ortung

Die Ortung kann zahlreiche Anwendungen bereichern, z. B. batteriebetriebene Heimsensoren, Gesundheitsmonitore und Fitnessgeräte, industrielle Bestandsverfolgung und Umweltsensoren sowie die Verwaltung von Einzelhandelsbeständen und POS-Geräten.

Zu den führenden Anwendungsfällen gehören die Verfolgung des Standorts von Wirtschaftsgütern zur Optimierung des Lieferkettenmanagements und der Logistik, die Alarmierung medizinischer Teams durch Wearables bei Gesundheitsproblemen, die Erkennung und Eindämmung von Zahlkartenmissbrauch durch Einzelhändler und Banken sowie die Echtzeitverfolgung von Fahrzeugen durch Flottenmanagement. Bei Geräten, die nicht ortsgebunden sind, kann es problematisch sein, sich auf nur eine Funktechnologie zu verlassen, da GPS, Mobilfunk und Wi-Fi jeweils ihre Stärken und Grenzen haben.

Wi-Fi ist eine einfache und kostengünstige Lösung für die Ortung in Anwendungsfällen, in denen Netzwerke und Zugangspunkte leicht verfügbar und zugänglich sind. Die meisten Wi-Fi-Geräte verfügen über eine Art der Ortung, wobei die Energieeffizienz und die Genauigkeit der Implementierungen sehr unterschiedlich sind.

Die Wi-Fi Alliance hat Maßnahmen ergriffen, um diese Fähigkeiten zu fördern und die Interoperabilität mit ihrem Programm Wi-Fi CERTIFIED Location zu gewährleisten, das den Standard IEEE 802.11mc beinhaltet. Mithilfe des FTM-Protokolls (Fine Timing Measurement), von Zugangspunkten und WLAN-Karten, die mit Wi-Fi CERTIFIED Location kompatibel sind, kann ein Standort bis auf einen Meter genau bestimmt werden, sofern ein Wi-Fi-Zugangspunkt (AP) seine genaue Position kennt.

Es werden jedoch kompaktere und energieeffizientere Komponenten benötigt, um kostengünstige Ortungsanwendungen zu entwickeln. Ein effizienter Stromverbrauch, der die Batterielebensdauer maximiert, ist für viele IoT-Geräte und -Sensoren entscheidend. Nordic bietet ein Portfolio von Komponenten zur Nutzung von Wi-Fi und anderen Positionierungsoptionen, um die Vernetzung von IoT-Ökosystemen zu verbessern.

Wireless-Begleit-IC

Der nRF7000 (Abbildung 1) ist ein Wireless-Begleit-IC, der für Anwendungen mit extrem niedrigem Energiebedarf optimiert wurde, um maximale Energieeffizienz zu gewährleisten. Es sendet keine Daten, sondern bietet stattdessen zur Wi-Fi-Ortung aktive und passive Scan-Funktionen für einen SoC- (System on Chip), MPU- (Memory Protection Unit) oder MCU-Host (Microcontroller Unit).

Abbildung 1: Der energieeffiziente Wi-Fi-6-Begleit-IC nRF7000 für Wi-Fi-Ortungsanwendungen. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Der nRF7000 kann sowohl das 2,4-GHz- als auch das 5-GHz-Wi-Fi-Frequenzband scannen und implementiert zu diesem Zweck die PHY-Schicht und Teile der MAC-Schicht. Er ist mit einer Host-MCU oder einem Anwendungsprozessor verbunden, auf dem die Benutzeranwendung ausgeführt wird, und zwar über eine QSPI- (6-Draht) oder SPI- (4-Draht) Schnittstelle für Daten und eine 3-Draht- oder 4-Draht-Koexistenzkontrollschnittstelle für Hosts, die eine Funkeinheit für Bluetooth® LE oder IEEE802.15.4 enthalten.

Der nRF7000 ist eine vereinfachte Version des nRF7002, eines weiteren Begleit-ICs, der ein integriertes 2,4-GHz- und 5-GHz-Radio enthält, um einen weiteren Host-Chip mit direkter Wi-Fi-6-Datenvernetzung sowie Ortungsfunktionen bereitzustellen. Ebenfalls erhältlich ist der nRF7001, der ein 2,4-GHz-Einzelband-Funkmodul bietet. Beide eignen sich zur Erweiterung bestehender Bluetooth®-LE-, Thread®- oder Zigbee®-Systeme um moderne Wi-Fi-6-Funktionen.

Obwohl jede dieser Komponenten auch mit Hosts verbunden werden kann, die nicht von Nordic stammen, sagt das Unternehmen, dass es mit seiner nRF Cloud-Plattform eine „Silizium-zu-Cloud-Ortungslösung“ mit Komponenten anbieten kann, die Wi-Fi-, Mobilfunk- und GNSS-Ortung unterstützen.

Wi-Fi-Ortung mit dem nRF7000

Die Mobilfunk-SiPs (System-in-Package) der nRF91-Serie von Nordic, wie z. B. der NRF9160-SICA-B1A-R7 (Abbildung 2), sind als bevorzugte Nordic-Hosts für die nRF7000/7100/7200-ICs (nRF70-Serie) vorgesehen. Diese enthalten einen Anwendungsprozessor und ein Multimode-Modem in einem kompakten 10 x 16 x 1,04 mm großen Gehäuse, das LTE-M, NB-IoT, GNSS, HF-Frontend (RFFE) und Energiemanagement unterstützt. Andere bevorzugte Hosts sind die Bluetooth-Multiprotokoll-SoCs der Serien nRF52 und nRF53 von Nordic.

Abbildung 2: Der SiP nRF9160 mit LTE-M/NB-IoT-Modem und GNSS, der mit dem nRF7000 integriert wird, um nahtlose Ortungsanwendungen unter Einbeziehung von Wi-Fi zu ermöglichen. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Ein nRF7000 in Kombination mit einem nRF91 ermöglicht eine genaue Wi-Fi-Ortung im Innen- und Außenbereich und ergänzt damit GNSS und Mobilfunk. Wenn der Wi-Fi-Ortungsdienst konfiguriert ist, kann ein Gerät aktiv oder passiv nach nahe gelegenen Wi-Fi-Zugangspunkten suchen und Daten zu SSIDs, BSSIDs und Signalstärken sammeln.

Mithilfe der Informationen des Begleit-ICs kann ein nRF91 AP-Informationen an die nRF-Cloud übertragen, die eine Wi-Fi-Datenbank mit bekannten Standorten nutzt, um eine genaue Position in Bezug auf mindestens zwei nahe gelegene APs zu bestimmen, ohne dass das Gerät eine Verbindung zu ihnen herstellen muss. Der Cloud-Dienst kann dann die Position an das Gerät oder an den Ort, an dem die Informationen benötigt werden, zurücksenden. Nachdem der Standort bestimmt wurde, kann das Gerät in den Energiesparmodus wechseln, um Batteriestrom zu sparen.

Die nRF-Cloud bietet die folgenden alternativen Optionen für die Standortbestimmung:

• Unterstütztes GNSS, das schnellere TTFF ermöglicht
• Vorhersage von GNSS zur Bereitstellung von Satellitendaten für einen Zeitraum von bis zu zwei Wochen, um die Häufigkeit von Anfragen nach neuen Unterstützungsdaten zu verringern
• Einzelzellenortung (SCELL) zur Bereitstellung einer Grobortung auf der Grundlage der nächstgelegenen Zelle, wodurch der GNSS-Empfänger überflüssig wird
• Mehrzellenortung (MCELL) bietet eine genauere, aber immer noch grobe Ortung unter Verwendung der nächstgelegenen Zelle und benachbarter Zellen

Jeder dieser Ortungsprozesse in der nRF-Cloud bietet unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Positionsgenauigkeit und Stromverbrauch. Laut Nordic bietet Wi-Fi eine Ortungsgenauigkeit von 5 m bis 15 m, verglichen mit 5 m bis 10 m bei GNSS, 200 m bis 300 m bei Mehrzellen-Mobilfunk und 1000 m bei Einzelzellen. Die geringste Latenzzeit hat der Mobilfunk mit weniger als 1 Sekunde, während sie sowohl bei GNSS als auch bei Wi-Fi Sekunden beträgt. Die von Nordic durchgeführten Stromverbrauchstests ergaben einen leichten Vorsprung für den Mobilfunk mit 122,48 mC, verglichen mit 125,85 mC für Wi-Fi und 316,71 mC für GNSS mit A-GPS.

Nordic bietet mehrere Tools an, darunter die Software-Entwicklungsumgebung nRF Connect SDK für alle Geräte der nRF70-Serie sowie das Dual-Band-Entwicklungskit nRF7002 EK (Abbildung 3) im Arduino-Shield-Format. Das Kit enthält den nRF7002 und kann sowohl den nRF7000 als auch den nRF7001 emulieren. Es kann mit dem Entwicklungskit nRF9160 DK kombiniert werden, um Anwendungen zu erstellen, die die nRF70-Serie nutzen.

Abbildung 3: Das Evaluierungskit nRF7002-EK enthält einen nRF7002 und kann sowohl den nRF7000 als auch den nRF7001 emulieren. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Fazit

Mit den Serien nRF7000 und nRF91 ermöglicht Nordic die Erstellung von IoT-Lösungen, die mehrere drahtlose Technologien für Ortungsdienste nutzen können. Die Produkte bieten eine hohe Performance, einen geringen Stromverbrauch und flexible Integrationsmöglichkeiten für eine Vielzahl von Anwendungen, die nahtlos zwischen verschiedenen Ortungsoptionen wechseln können.