藍(lán)牙定位技術(shù)主要應(yīng)用于室內(nèi)定位，目前有藍(lán)牙感知和藍(lán)牙定位兩個(gè)應(yīng)用方向，由于技術(shù)特點(diǎn)的限制，現(xiàn)階段的藍(lán)牙定位技術(shù)精度為10米，難以滿足定位產(chǎn)品市場(chǎng)的需求。2019年藍(lán)牙組織發(fā)布了藍(lán)牙5.1技術(shù)，該技術(shù)引入尋向功能，將定位精度提升到厘米級(jí)。藍(lán)牙5.1終端產(chǎn)品的射頻性能，直接影響到應(yīng)用軟件的方向計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)致定位精度無法達(dá)到最佳。潤(rùn)博君按照藍(lán)牙當(dāng)前的定位技術(shù)和最新的5.1尋向技術(shù)，針對(duì)藍(lán)牙5.1的終端，提出一套測(cè)試方案，適用于研發(fā)和生產(chǎn)中，能夠有效提高終端的定位性能。

一、概述

藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于智能手機(jī)、健康手環(huán)和電腦等電子設(shè)備，得到廣泛的關(guān)注。據(jù)藍(lán)牙組織統(tǒng)計(jì)，目前有不少于80億藍(lán)牙設(shè)備，在未來，物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展中，藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)量會(huì)越來越龐大。由于衛(wèi)星信號(hào)受到遮擋后衰減，室內(nèi)定位一直是衛(wèi)星定位的死角。近年來，基于現(xiàn)有的無線技術(shù)，人們進(jìn)行了一些室內(nèi)定位的研究和開發(fā)。其中，由于技術(shù)成本低，基于低功耗藍(lán)牙的定位方案受到人們的追捧，已經(jīng)在市場(chǎng)上得到實(shí)際應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的藍(lán)牙定位方案，存在明顯的缺陷，比如，定位精度為1到10米，難以滿足高精度的定位需求。2019年，藍(lán)牙組織根據(jù)人們?cè)谑覂?nèi)定位方面的需求，在藍(lán)牙5.1中新增了藍(lán)牙尋向功能，結(jié)合現(xiàn)有的藍(lán)牙定位方案，定位的精確度可達(dá)到厘米級(jí)。

初始狀態(tài)為環(huán)回，非跳頻。EUT分別工作在低、中、高三個(gè)頻點(diǎn)，回送調(diào)制信號(hào)為PN9的DH1分組。測(cè)試儀通過LMP信令控制EUT輸出功率，并測(cè)試功率控制步長(zhǎng)的范圍，規(guī)范要求在2dB和8dB之間。

二、藍(lán)牙定位的應(yīng)用介紹

無線電波在傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，信號(hào)會(huì)逐漸衰減。根據(jù)此特性，當(dāng)前的藍(lán)牙定位方案基于相同的實(shí)現(xiàn)方式：根據(jù)測(cè)試發(fā)信方的信號(hào)強(qiáng)度，藍(lán)牙受信設(shè)備估算與發(fā)信方的距離。根據(jù)定位的應(yīng)用場(chǎng)景，主要分為兩個(gè)應(yīng)用方向，藍(lán)牙感知技術(shù)和藍(lán)牙定位技術(shù)。

2.1、藍(lán)牙感知技術(shù)

藍(lán)牙感知技術(shù)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單：根據(jù)發(fā)信方的信號(hào)強(qiáng)度變化來判斷發(fā)信方的位置。如圖1所示，受信方接收到發(fā)信方的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析后，估算距離遠(yuǎn)近，在移動(dòng)中，隨著距離發(fā)生變化，信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，信號(hào)增強(qiáng)，則更接近發(fā)信方，反之，則遠(yuǎn)離發(fā)信方。

圖1：藍(lán)牙接近

基于藍(lán)牙感知技術(shù)，目前的應(yīng)用是物品查找和興趣熱點(diǎn)兩種服務(wù)。物品查找主要是針對(duì)個(gè)人的一些應(yīng)用，比如尋找個(gè)人用品，錢包或者鑰匙。在錢包里放置藍(lán)牙設(shè)備，用戶根據(jù)手機(jī)中的一個(gè)應(yīng)用軟件，搜索該藍(lán)牙設(shè)備，就能監(jiān)控或?qū)ふ义X包。

興趣熱點(diǎn)是指在一些大型公共場(chǎng)所里，在特定的興趣地點(diǎn)安裝藍(lán)牙設(shè)備，供訪問者搜索。比如，在博物館里，給展品綁定藍(lán)牙設(shè)備，參觀者用手機(jī)上的應(yīng)用軟件，根據(jù)展品上藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送的信號(hào)，更容易的找到自己感興趣的展位。根據(jù)商場(chǎng)里的商店發(fā)送的信號(hào)，顧客更容易找到自己感興趣的品牌。這些應(yīng)用場(chǎng)景，都可以通過興趣熱點(diǎn)，使用戶得到更好的服務(wù)體驗(yàn)。

藍(lán)牙感知技術(shù)，從自身移動(dòng)時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的變化判斷與發(fā)信方的距離遠(yuǎn)近變化，在實(shí)際應(yīng)用中，需要“移動(dòng)”較長(zhǎng)的時(shí)間，才能找到大約的方向，用戶體驗(yàn)較差，所以，只能應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的場(chǎng)景。

2.2、藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙感知技術(shù)是端對(duì)端的簡(jiǎn)單應(yīng)用，而藍(lán)牙定位技術(shù)則是相同原理下的一種復(fù)雜應(yīng)用，主要分為實(shí)時(shí)追蹤和室內(nèi)定位兩個(gè)應(yīng)用方向。

2.2.1、實(shí)時(shí)追蹤

實(shí)時(shí)追蹤，主要應(yīng)用于資產(chǎn)追蹤或者人物追蹤。例如，物流倉庫中的貨物、叉車和工人，醫(yī)院的醫(yī)護(hù)設(shè)備和病人，可以通過實(shí)時(shí)定位，進(jìn)行更安全更優(yōu)化的管理。如圖2，在室內(nèi)特定位置的安裝藍(lán)牙接收機(jī)，實(shí)時(shí)接收從被追蹤者發(fā)出的信號(hào)，藍(lán)牙接收機(jī)將各自接收到的信號(hào)強(qiáng)度上報(bào)給服務(wù)中心，通過計(jì)算得到被追蹤者的位置。根據(jù)平面三點(diǎn)定位的要求，平面上需要安裝至少三個(gè)接收機(jī)，所有接收機(jī)需要構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)中心統(tǒng)一管理。

根據(jù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，可以設(shè)置被追蹤者信號(hào)的發(fā)射周期，發(fā)射周期越大，電池的能耗越小，被追蹤者待機(jī)時(shí)間也越長(zhǎng)，該周期的長(zhǎng)短直接決定了追蹤位置的刷新率。

圖2：實(shí)時(shí)定位拓?fù)鋱D

2.2.2、室內(nèi)定位

室內(nèi)定位，主要是通過提供輔助信號(hào)，幫助終端計(jì)算自己的位置信息，主要應(yīng)用于一些大型室內(nèi)公共場(chǎng)所，例如，大型商場(chǎng)、超市或者辦公樓。在商場(chǎng)里安裝固定位置的藍(lán)牙發(fā)射裝置，周期性的發(fā)送藍(lán)牙信號(hào)，如圖3，訪客通過手機(jī)應(yīng)用軟件，接收來自固定發(fā)射器的信號(hào)，通過信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算自己與固定發(fā)射器的距離。在平面上，通過至少三個(gè)固定發(fā)射器的信號(hào)強(qiáng)度，就能得出平面上的位置信息。

圖3 室內(nèi)定位拓?fù)鋱D

藍(lán)牙定位技術(shù)，首先，需要在室內(nèi)布置一定數(shù)量的固定藍(lán)牙設(shè)備，而且，這些藍(lán)牙設(shè)備的位置坐標(biāo)時(shí)已知的。其次，通過測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度估算距離，由于估算的精度有限，目前的定位精度為1到10米，該定位精度遠(yuǎn)達(dá)不到市場(chǎng)的需求。針對(duì)該問題，藍(lán)牙組織在藍(lán)牙5.1中引入了尋向技術(shù)，將定位精度提高到厘米級(jí)。

三、藍(lán)牙5.1：尋向功能

在藍(lán)牙5.1新增的幾個(gè)功能中，藍(lán)牙尋向功能是最重要的特性。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，分成兩種尋向方式，到達(dá)角度（AoA）和離開角度（AoD）。

3.1、到達(dá)角度（AoA）

圖4為AoA的示意圖，發(fā)信方為單天線，受信方為多天線。發(fā)信方的連續(xù)波信號(hào)到達(dá)受信方后，由于受信方每個(gè)天線與發(fā)信方的距離差異，到達(dá)的時(shí)間形成差異，造成了電磁波的相位差異。每個(gè)天線上可以得到不同的相位信息，利用天線間的相位差，AoA測(cè)試法就可以計(jì)算得到與被定位對(duì)象的角度。從應(yīng)用場(chǎng)景上，AoA類似于當(dāng)前的藍(lán)牙實(shí)時(shí)追蹤技術(shù)。

圖4 AoA定位模型

如圖5，d為接收天線陣列中兩個(gè)天線的距離，為兩個(gè)天線的相位差，為波長(zhǎng)。

圖5 到達(dá)角度計(jì)算

根據(jù)公式1，就能計(jì)算得到到達(dá)角度。

3.2、離開角度（AoD）

圖6為AoD的示意圖，發(fā)信方的多個(gè)天線組成天線陣列，分時(shí)發(fā)送同一個(gè)連續(xù)波信號(hào)。由于每個(gè)發(fā)射天線與接收天線的距離不同，信號(hào)到達(dá)受信方后，形成了相位差異。利用相位差，AoD測(cè)試法就可以計(jì)算得到自己與對(duì)方的角度。AoD可以替代現(xiàn)在的室內(nèi)定位模型，用于室內(nèi)定位。

圖6 AoD定位模型

如圖7，d為發(fā)射天線陣列中兩個(gè)天線的距離，為兩個(gè)天線的相位差，為波長(zhǎng)，根據(jù)公式1，計(jì)算得到離開角度。

圖7 離開角度計(jì)算

3.3、藍(lán)牙尋向的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于現(xiàn)有的藍(lán)牙定位技術(shù)方案，尋向技術(shù)的引入，對(duì)定位精度的改進(jìn)有了新的突破口。

首先，藍(lán)牙感知是根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度的變化，分析距離遠(yuǎn)近變化，受無線環(huán)境影響，存在較大的不確定性。尋向技術(shù)則通過發(fā)信方信號(hào)，無需信號(hào)強(qiáng)弱分析，直接計(jì)算發(fā)信方的方向。所以，藍(lán)牙尋向在物品查找和興趣熱點(diǎn)兩種服務(wù)的應(yīng)用中，優(yōu)勢(shì)更加明顯。

其次，現(xiàn)有的實(shí)時(shí)追蹤和室內(nèi)定位的應(yīng)用中，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距，會(huì)帶來很大的誤差。如果引入尋向技術(shù)，結(jié)合方向信息和信號(hào)測(cè)距結(jié)果，能得到更準(zhǔn)確的位置信息。

因此，藍(lán)牙尋向的引入，讓藍(lán)牙定位有了更大的發(fā)展空間。

3.4、藍(lán)牙尋向的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)

如圖8，藍(lán)牙5.1在信號(hào)的尾部引入了CTE部分，CTE由內(nèi)容為全1的符號(hào)組成，CTE所含符號(hào)的數(shù)量由上層協(xié)議決定。接收機(jī)是通過對(duì)CTE數(shù)據(jù)的采樣分析，得到波長(zhǎng)，相位。在計(jì)算公式1中，參數(shù)波長(zhǎng)、相位差和天線距離直接影響了尋向的誤差。

圖8 藍(lán)牙5.1的信號(hào)格式

首先，波長(zhǎng)由發(fā)射信號(hào)頻率決定。因?yàn)椋–onstant Tone Extension）CTE由全1的符號(hào)組成，CTE部分的頻率為調(diào)頻后的頻率，真實(shí)的波長(zhǎng)由載波頻率和調(diào)制頻率的準(zhǔn)確性來決定。

其次，是接收方通過信號(hào)采集，分析得到的結(jié)果。如圖9所示，多天線發(fā)射或者接收時(shí)，需要在各個(gè)天線上依次發(fā)送信號(hào)，每次切換天線時(shí)，需要預(yù)留一個(gè)切換時(shí)隙，作為保護(hù)間隔。所以，天線切換和相位的連續(xù)性也會(huì)對(duì)尋向計(jì)算產(chǎn)生影響。

圖9 CTE信號(hào)收發(fā)時(shí)隙

最后，由于電路板的布置和天線形態(tài)的不同，天線距離d存在不確定性，本文在載波頻率為2402MHz，天線距離d為80mm，測(cè)試角度不變的情況下，在天線距離d的誤差從0遞增到40mm時(shí)，分析對(duì)角度計(jì)算結(jié)果的影響。如圖10，圖中曲線分別為理想角度和實(shí)際計(jì)算角度，理想角度保持恒定，當(dāng)天線距離的誤差增大時(shí)，實(shí)際計(jì)算的角度有遞增趨勢(shì)。

圖10 天線距離誤差對(duì)尋向結(jié)果的影響

減少上述因素帶來的影響，就能進(jìn)行更精確的尋向。而使用測(cè)試儀表對(duì)產(chǎn)品的性能測(cè)試，構(gòu)建相應(yīng)的測(cè)試模型，能從測(cè)試數(shù)據(jù)上分析產(chǎn)品的尋向精度，同時(shí)，也能對(duì)產(chǎn)品的尋向結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。

四、藍(lán)牙5.1的測(cè)試

根據(jù)藍(lán)牙尋向產(chǎn)品的分類，藍(lán)牙組織在測(cè)試規(guī)范中分別對(duì)到達(dá)角度（AoA）和離開角度（AoD）的產(chǎn)品，制定了發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目。

發(fā)射機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目，包含發(fā)射功率，發(fā)射機(jī)的載波頻率誤差以及頻譜漂移，另外，AoD產(chǎn)品具有多天線，工作時(shí)多天線分時(shí)發(fā)射信號(hào)，所以，需要測(cè)試AoD產(chǎn)品天線切換時(shí)的射頻性能，保持功率和相位的穩(wěn)定性。

接收機(jī)的測(cè)試項(xiàng)目，針對(duì)被測(cè)件尋向的要求，需要對(duì)接收到的信號(hào)功率和相位進(jìn)行計(jì)算。AoA產(chǎn)品具有多天線，工作時(shí)多天線分時(shí)接收，每個(gè)天線準(zhǔn)確的計(jì)算相位信息，是尋向精度的保證。

AoD接收機(jī)和AoA發(fā)射機(jī)，都是單天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采取了相同的測(cè)試環(huán)境。以羅德與施瓦茨公司的綜測(cè)儀CMW270為例，如圖11，用射頻線纜連接儀表與被測(cè)件，在測(cè)試AoD接收機(jī)時(shí)，儀表發(fā)送信號(hào)，AoD產(chǎn)品接收信號(hào)。在測(cè)試AoA發(fā)射機(jī)時(shí)，AoA產(chǎn)品發(fā)射信號(hào)，儀表分析信號(hào)的射頻指標(biāo)。

圖11 AoD接收機(jī)和AoA發(fā)射機(jī)的測(cè)試

AoD發(fā)射機(jī)和AoA接收機(jī)，二者都是多天線的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，所以，需要搭建特別的測(cè)試環(huán)境，如圖12，在測(cè)試儀表CMW270和被測(cè)件之間，需要一個(gè)額外的合路器或功分器，CMW500模擬單天線終端。

圖12 AoD發(fā)射機(jī)和AoA接收機(jī)的測(cè)試

因?yàn)闇y(cè)試儀器發(fā)送信號(hào)的相位和功率是可編輯的，所以，在產(chǎn)品整機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)階段，利用測(cè)試儀表發(fā)出的信號(hào)，測(cè)試整機(jī)定位的準(zhǔn)確性。如圖13，測(cè)試儀在發(fā)射信號(hào)的相應(yīng)時(shí)隙，改變每個(gè)接收天線的對(duì)應(yīng)相位P0、P1、P2和P3，模擬相應(yīng)的角度。圖中四個(gè)天線接收的信號(hào)，對(duì)應(yīng)時(shí)隙的實(shí)測(cè)相位為△P0、△P1、△P2和△P3，根據(jù)實(shí)測(cè)相位，被測(cè)設(shè)備計(jì)算得到定位角度。模擬的偏差，即為尋向偏差。

圖13 測(cè)試儀表模擬相位變化

如果動(dòng)態(tài)的改變信號(hào)的相位和功率，測(cè)試儀表可以模擬移動(dòng)中的定位場(chǎng)景。功率的變化，對(duì)應(yīng)于發(fā)信方與受信方之間距離遠(yuǎn)近的變化；相位的變化，對(duì)應(yīng)于雙方方向的變化。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，按照一定的“速度”來改變發(fā)射信號(hào)的功率和相位，可以模擬相應(yīng)的移動(dòng)速度和軌跡。結(jié)合應(yīng)用程序和地圖信息，可以測(cè)試終端在移動(dòng)場(chǎng)景下的定位能力。

綜上所述，采用測(cè)試儀表，可以對(duì)藍(lán)牙尋向產(chǎn)品的射頻指標(biāo)進(jìn)行定量分析，也可以模擬現(xiàn)實(shí)的定位場(chǎng)景，進(jìn)行定位服務(wù)的應(yīng)用測(cè)試，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)和糾正尋向偏差。

五、總結(jié)

多年來，低功耗藍(lán)牙為消費(fèi)、零售、醫(yī)療保健以及制造領(lǐng)域的各類應(yīng)用創(chuàng)造了功能強(qiáng)大、低成本的解決方案，尋向技術(shù)將使藍(lán)牙技術(shù)更好地滿足定位服務(wù)行業(yè)中不斷變化的需求。借助測(cè)試儀表，在研發(fā)和生產(chǎn)階段對(duì)終端產(chǎn)品的測(cè)試，能幫助提升定位服務(wù)的精度，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。