RSSI w BLE — co to jest, wskaźnik sygnału i szacowanie odległości

Co to jest RSSI w BLE?

RSSI (Received Signal Strength Indicator) — to pomiar mocy sygnału radiowego odebranego przez odbiornik BLE w momencie odbioru pakietu. W BLE RSSI jest mierzone dla każdego pakietu reklamowego (advertising) i każdego pakietu danych po nawiązaniu połączenia. Wartość RSSI to skala logarytmiczna, gdzie każdy krok o 1 dBm odpowiada w przybliżeniu zmianie mocy sygnału o 1,26 raza.

RSSI to wskaźnik zależny od sprzętu: różne układy BLE (nRF, TI, Dialog, Broadcom) i różne anteny mogą pokazywać różne wartości RSSI dla tego samego sygnału. Dlatego porównywanie RSSI między różnymi urządzeniami jest nieprawidłowe. Nawet dwa identyczne smartfony z tym samym systemem operacyjnym mogą wykazywać różnicę 2–5 dBm dla tego samego beaconu.

W pakiecie reklamowym RSSI jest mierzone dla każdego z trzech kanałów (37, 38, 39). Wartości mogą różnić się o 3–10 dBm między kanałami z powodu zakłóceń częstotliwościowych. Nowoczesne stosy BLE raportują uśrednione RSSI dla wszystkich kanałów lub RSSI dla każdego pakietu osobno. iOS Core Bluetooth udostępnia średnie RSSI, Android — RSSI ostatniego pakietu.

Zakres wartości RSSI

Typowy zakres RSSI dla BLE wynosi od -30 dBm do -100 dBm. Wartości wykraczające poza te granice zdarzają się niezwykle rzadko: -20 dBm oznacza, że urządzenie dosłownie dotyka anteny skanera, a -105 dBm — całkowity brak sygnału. Producenci układów mogą ograniczać zakres: na przykład nRF52832 raportuje RSSI od -40 do -105 dBm.

TX Power Level — moc nadajnika, która jest podawana w pakiecie advertisingowym (AD Type 0x0A) i umożliwia korektę oszacowania. RSSI -70 dBm od urządzenia z TX Power +4 dBm oznacza, że sygnał osłabł o 74 dB. Jeśli TX Power jest nieznane, dokładne oszacowanie odległości jest niemożliwe. iBeacon zawiera TX Power (1 bajt) w strukturze Manufacturer Data do kalibracji odległości.

Zależność RSSI od odległości

Model Path Loss (straty propagacji) jest używany do szacowania odległości na podstawie RSSI. Podstawowy wzór: RSSI = TX_Power - 10 × n × log10(d), gdzie n — współczynnik tłumienia (2,0 dla wolnej przestrzeni, 3,0–4,5 dla pomieszczeń z przeszkodami), d — odległość w metrach. W praktyce dokładność oszacowania wynosi ±2–5 m w rzeczywistych warunkach.

Do kalibracji modelu należy zmierzyć RSSI w znanej odległości (zwykle 1 m) i obliczyć referencję TX Power. W iBeacon ten parametr jest przechowywany w pakiecie. W Eddystone stosuje się podobny mechanizm. Po kalibracji można obliczać odległość: d = 10 ^ ((TX_Power — RSSI) / (10 × n)).

Według Apple Core Bluetooth Programming Guide (2024), dokładność oszacowania odległości dla iBeacon wynosi: immediate (<0,5 m) — gdy RSSI jest wyższe od kalibracyjnego, near (0,5–3 m) — gdy RSSI w zakresie 3–6 dB od kalibracyjnego, far (>3 m) — przy słabym sygnale. Żaden model matematyczny nie zapewnia dokładności lepszej niż ±1 m bez dodatkowego przetwarzania.

Czynniki wpływające na dokładność RSSI

RSSI to szumny wskaźnik, a jego dokładność zależy od wielu czynników. Główne źródła błędów: przeszkody (ściany, meble, ludzie) osłabiają sygnał o 3–15 dB każda, propagacja wielościeżkowa (odbicia od ścian) może wzmacniać sygnał w niektórych punktach i osłabiać w innych, orientacja anteny zmienia RSSI o 3–10 dB przy obrocie urządzenia.

Ludzkie ciało jest jednym z najsilniejszych absorberów sygnału BLE. Jeśli między beaconem a smartfonem znajduje się człowiek, RSSI może spaść o 10–20 dB. Woda w ludzkim ciele skutecznie pochłania promieniowanie radiowe na częstotliwości 2,4 GHz. Dlatego beacony na drzwiach sklepów mogą pokazywać różne RSSI dla klientów o różnym wzroście i budowie ciała.

Dodatkowe czynniki: zakłócenia Wi-Fi na sąsiednich kanałach mogą obniżać RSSI o 3–5 dB, temperatura układu BLE wpływa na dokładność pomiaru RSSI (u niektórych układów dryf do 1 dB/°C), degradacja baterii w beaconie obniża TX Power, co prowadzi do zaniżonego RSSI po stronie odbiorczej.

Filtracja i wygładzanie RSSI

Surowe RSSI nie nadaje się do dokładnych obliczeń — zawiera zbyt dużo szumu i wartości odstających. Aby uzyskać stabilne oszacowanie odległości, stosuje się metody filtracji. Najprostszą jest średnia ruchoma: oblicza się średnią arytmetyczną ostatnich N wartości RSSI. N = 5–10 zwykle wystarcza do wygładzenia krótkotrwałych fluktuacji.

// Filtr Kalmana dla RSSI
class RssiKalmanFilter(
    private val processNoise: Double = 0.01,
    private val measurementNoise: Double = 1.0
) {

    private var estimate: Double = 0.0
    private var errorCovariance: Double = 1.0

    fun filter(rawRssi: Double): Double {
        // Prognozuj
        errorCovariance += processNoise

        // Aktualizuj
        val kalmanGain =
            errorCovariance /
            (errorCovariance + measurementNoise)

        estimate = estimate +
            kalmanGain * (rawRssi - estimate)

        errorCovariance =
            (1.0 - kalmanGain) * errorCovariance

        return estimate
    }
}

Filtr Kalmana — bardziej zaawansowana metoda, która uwzględnia dynamikę zmian RSSI i daje mniejsze opóźnienie niż średnia ruchoma. Dla stacjonarnych beaconów (nieruchomych) średnia ruchoma daje akceptowalny wynik. Dla ruchomych urządzeń filtr Kalmana jest lepszy, ponieważ szybciej dostosowuje się do zmian. Dodatkowo można zastosować filtr Medianowy do odrzucania wartości odstających.

Pobieranie RSSI w iOS i Android

iOS Core Bluetooth udostępnia RSSI przez właściwość peripheral.rssi (NSNumber) po zakończeniu odczytu RSSI. Aby uzyskać RSSI pakietu reklamowego, użyj advertisementData[CBAdvertisementDataRSSIKey]. iOS zwraca RSSI jako średnią wartość z trzech kanałów. Do ciągłego monitorowania RSSI wywołuj readRSSI w odstępach nie częstszych niż 1 raz na sekundę.

// Pobierz RSSI na iOS
func centralManager(
    _ central: CBCentralManager,
    didDiscover peripheral: CBPeripheral,
    advertisementData: [String: Any],
    rssi RSSI: NSNumber
) {
    let signalStrength = Int(truncating: RSSI)

    // Odfiltruj słabe sygnały
    guard signalStrength > -90 else {
        return
    }

    print("Urządzenie " +
          "\(peripheral.name ?? "unknown") " +
          "RSSI: \(signalStrength) dBm")
}

Android udostępnia RSSI przez callback onScanResult: result.getRssi(). Wartość RSSI to RSSI ostatniego pakietu reklamowego (nie średnia). Aby uzyskać stabilne odczyty, należy gromadzić wiele wartości i stosować filtrację. Android udostępnia również TX Power Level przez result.getScanRecord().getTxPowerLevel(), jeśli jest przesyłany w pakiecie reklamowym.

// Pobierz RSSI na Android
private val scanCallback = object : ScanCallback() {

    override fun onScanResult(
        callbackType: Int,
        result: ScanResult
    ) {
        val rssi = result.rssi
        val txPower = result.scanRecord?.
            txPowerLevel ?: -128

        // Zastosuj filtr Kalmana
        val filtered = kalmanFilter.
            filter(rssi.toDouble())

        Log.d("BLEScanner",
            "RSSI: $rssi, " +
            "Filtered: $filtered, " +
            "TX: $txPower")
    }
}

Podczas tworzenia aplikacji wykorzystujących RSSI do pozycjonowania, należy uwzględnić: w iOS wartości RSSI są bardziej stabilne dzięki kalibracji sprzętowej, w Android — bardziej szumne i zależne od producenta urządzenia. W projektach wieloplatformowych zaleca się implementację filtracji po stronie aplikacji z konfigurowalnymi parametrami dla każdej platformy.