Die Lokalisierung von Geräten ist aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. GPS und Mobilfunknetze liefern zwar im Außenbereich präzise Daten, stoßen jedoch in Innenräumen oder bei Sub-Meter-Anforderungen an ihre Grenzen. Zwar lässt sich die Präzision mithilfe von Mobilfunknetzen verbessern, jedoch steigen dadurch die Kosten und der Energieverbrauch so stark an, dass eine solche Lösung kaum praktikabel ist.
Eine wachsende Zahl von Anwendungen liegt heute im Bereich von Kurzstreckengeräten, also der Verfolgung von Objekten in lokalen Netzwerken über kurze Distanzen, um lokale Positionsintelligenz zu schaffen. Genau hier zielen verschiedene Standards und proprietäre Technologien darauf ab, sich zu etablieren. An dieser Stelle setzt Bluetooth mit Channel Sounding an.
Bluetooth ist eine etablierte Technologie, die in vielen Bereichen des modernen Lebens integriert ist. Seit Jahren ist Bluetooth Low Energy (BLE) das Arbeitspferd der Kurzstreckenkommunikation und ermöglicht eine energieeffiziente Datenübertragung in Milliarden von Geräten. Seit seiner Einführung basieren BLE-Lokalisierungslösungen auf dem Received Signal Strength Indicator (RSSI), um die Entfernung zu einem anderen Gerät abzuschätzen. Für eine grobe Näherungserkennung, also um festzustellen, ob sich ein Gerät in der Nähe befindet, ist RSSI ausreichend. Für präzisere Messungen hingegen nicht. Umweltvariablen, Störungen und Mehrwegeffekte (Multipath-Reflections) führen dazu, dass RSSI als Distanzmaß unzuverlässig ist. Unternehmen, die zu Bluetooth Real-Time Location Services (RTLS) beigetragen haben, erkannten dies früh und mit Bluetooth 5.0 wurde die Funktion „Direction Finding” (DF) eingeführt. Sie bildet heute das Rückgrat vieler smarter, Bluetooth-basierter RTLS-Systeme.
Die Einschränkungen von RSSI-basierten Ansätzen machen Bluetooth für industrielle RTLS-Anwendungen ungeeignet. Bislang werden diese von Ultra-Wideband-(UWB)-Speziallösungen dominiert. Hinzu kommt, dass UWB-Systeme zwar Distanzdaten im Zentimeterbereich liefern, jedoch mit einem höheren Entwicklungsaufwand im HF-Design sowie mit zusätzlichen regulatorischen Anforderungen verbunden sind. Für viele Anwendungen, in denen eine Sub-Meter-Genauigkeit ausreicht, sind UWB-Systeme damit zu komplex oder zu kostspielig. Channel Sounding in Bluetooth 6.0 schließt diese Lücke. Es bietet eine Genauigkeit, die in zahlreichen Einsatzfeldern ausreicht, ohne den Integrationsaufwand von UWB mit sich zu bringen.
BLE-basiertes Channel Sounding ermöglicht sichere und präzise Distanzmessungen mit kostengünstiger und einfach zu entwickelnder Hardware. Während frühere Bluetooth-Generationen RSSI-Werte nutzten, um eine grobe Schätzung der Distanz zwischen zwei Geräten zu erstellen, erlaubt Channel Sounding nun die Charakterisierung des Funkkanals selbst.
Wie funktioniert Channel Sounding?
Im Kern geht es beim Channel Sounding um Zeit und Phase. Mithilfe der phasenbasierten Distanzmessung (Phase-Based Ranging, PBR) und der Laufzeitmessung (Round-Trip Time, RTT) lassen sich die exakten Abstände zwischen zwei Geräten bestimmen. Bei PBR tauschen die Geräte Signale auf mehreren Frequenzen aus und vergleichen die Phasenverschiebungen. So lässt sich die Distanz eindeutig berechnen (Abbildung 1). RTT funktioniert ähnlich wie Radar: Ein Gerät sendet ein Paket, das Gegenüber antwortet, und die Laufzeitdifferenz liefert die Entfernung (Abbildung 2). Durch die Kombination beider Verfahren erreicht Bluetooth eine Genauigkeit, die mit RSSI nicht möglich war. Entscheidend ist dabei nicht nur die Genauigkeit, sondern auch, dass diese Weiterentwicklung auf derselben BLE-Technologie basiert, die heute zu den Grundpfeilern des Internets der Dinge (Internet of Things, kurz: IoT) gehört.
PBR und RTT funktionieren in den meisten realen Szenarien zwar zuverlässig, benötigen jedoch zusätzliche Unterstützung, um Effekte wie Mehrwegeausbreitung, Störungen oder Angriffe wie Relay-Attacken abzuwehren. Bluetooth 6.0 enthält deshalb zusätzliche Sicherheitsmechanismen, die Channel Sounding ergänzen. Signale können randomisiert, verschlüsselt und verifiziert werden, um sicherzustellen, dass die ermittelten Distanzen nicht manipuliert werden. Zudem können Geräte mehrere Antennen einsetzen, um durch räumliche Diversität Fehler durch Reflexionen zu reduzieren. Diese Kombination aus Zeitmessung, Phasenvergleich und kryptografischem Schutz macht Channel Sounding zu einem praxistauglichen Werkzeug für reale Anwendungen.
Hardwarebasis für Channel Sounding
Ein Beispiel für die Umsetzung ist die neue PAN-B611-Modulfamilie von Panasonic. Sie führt Channel-Sounding-Funktionalität in einem kompakten, vorzertifizierten Gehäuse ein. Grundlage ist der nRF54L15 von Nordic Semiconductor, einer der ersten Bluetooth-SoCs mit Unterstützung für präzise Distanz- und Winkelmessungen. Der Chip integriert ein Funksubsystem für Phasen- und Laufzeitanalysen, einen leistungsfähigen Cortex-M33-Prozessor sowie kryptografische Schutzmechanismen. Ein separater RISC-V-Coprozessor übernimmt zeitkritische Aufgaben. Die Unterstützung mehrerer Antennen ermöglicht neben Distanzmessungen auch winkelbasierte Positionierungen und somit eine detailliertere Erfassung in zwei und drei Dimensionen.
Das PAN-B611 führt alle Pins des nRF54L15 auf einem Hybrid-Footprint mit halbdurchkontaktierten Leiterplattenrändern (castellated edges) und LGA-Pads heraus. Mit Abmessungen von nur 10,35 x 9,6 x 1,9 mm eignet sich das Modul für Designs mit engen Platzvorgaben. Versionen mit integrierter Chipantenne sind für kompakte Designs geeignet, während Modelle mit externer Antennenanbindung auch Multi-Antennen-Setups erlauben. Alle Pins des nRF54L15 sind auf den PAN-B611-1x-Modulen herausgeführt, sodass beispielsweise ein PAN-B611-1B für ein Multi-Antennen-Channel-Sounding-Setup genutzt werden kann, bei dem ein Antennenschalter mit bis zu vier GPIOs angesteuert wird. In vielen Anwendungen reicht hingegen die Nutzung der integrierten Antenne im PAN-B611-1C für eine grobe Distanzschätzung aus. Dies spart kundenspezifische Antennenanpassungen oder zusätzliche Zulassungen und verkürzt die Entwicklungszyklen.
Für speicherintensive Anwendungen bietet Panasonic die PAN-B611-Modulfamilie optional mit einem kompakten 4-MB-Flash-Speicherchip an, ohne dass sich der Formfaktor verändert. Der zusätzliche Speicher ermöglicht die Hinterlegung von Messdaten für die weitere Verarbeitung, beispielsweise für kryptografische Verfahren oder Machine-Learning-Algorithmen am Edge-Gerät. Auch die Ausführung nicht zeitkritischer Routinen direkt aus dem Speicher (Execute-in-Place, XiP) sowie die Verwaltung größerer Firmware-Pakete und Over-the-Air-(OTA)-Updates werden dadurch unterstützt. Abbildung 3 zeigt das Modul PAN-B611 in der Ausführung mit integrierter Antenne.
Der modulare Ansatz erleichtert die Integration in bestehende Designs und verkürzt die Entwicklungszeiten. Entwicklerinnen und Entwickler können sich auf die Anwendungslogik konzentrieren, während Zertifizierung und HF-Design auf Modulebene gelöst sind.
Von Asset-Tracking bis Augmented Reality (AR)
Standortinformationen schaffen in vielen Lebensbereichen Mehrwert. Entsprechend vielfältig sind die möglichen Anwendungen. Im Gesundheitswesen oder in der Logistik, kann eine kostengünstige Genauigkeit im Sub-Meter-Bereich die Effizienz deutlich steigern. Geräte lassen sich sofort auffinden, Bestände können automatisch abgeglichen werden und Abläufe lassen sich ohne menschliche Fehler optimieren. In Consumer-Anwendungen können Smartphones mit Channel Sounding künftig sicherer mit Smart Locks oder Fahrzeugen interagieren, da die tatsächliche physische Nähe überprüft wird. In AR- und VR-Systemen verbessert die präzise Positionsbestimmung die Synchronisation zwischen digitaler und physischer Umgebung. Auch im Smart Home lassen sich Szenarien umsetzen, die auf den exakten Standortdaten jedes Familienmitglieds basieren, etwa die raumgenaue Steuerung von Licht und Klima.
Ein mögliches Beispiel ist ein Smart Lock, das Channel Sounding zur Distanzverifikation nutzt und parallel ein Smart-Home-Protokoll wie Matter unterstützt. Damit lässt sich die tatsächliche Nähe eines Bluetooth-Schlüssels oder Smartphones prüfen und zugleich die Integration in ein interoperables Smart Home umsetzen. Der optionale 4-MB-Flash-Speicher des PAN-B611 bietet dabei ausreichend Platz für größere Firmware-Pakete mit Protokoll-Stacks, Kryptografie-Bibliotheken und OTA-Funktionen.
Fazit
Channel Sounding ist als optionales Feature Teil von Bluetooth 6.0, doch mit wachsender Verbreitung neuer Geräte dürfte es sich zum Standard entwickeln. Es markiert den Übergang von probabilistischer zu deterministischer Distanzmessung und hebt Bluetooth auf eine neue Stufe: von einer reinen Kommunikationsschnittstelle zu einer Plattform für räumliches Erfassen.