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藍牙定位技術(shù)及測試方法

冬至配餃子 ? 來源:潤博信息科技 ? 作者:潤博君 ? 2023-09-21 14:59 ? 次閱讀
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藍牙定位技術(shù)主要應用于室內(nèi)定位,目前有藍牙感知和藍牙定位兩個應用方向,由于技術(shù)特點的限制,現(xiàn)階段的藍牙定位技術(shù)精度為10米,難以滿足定位產(chǎn)品市場的需求。2019年藍牙組織發(fā)布了藍牙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。藍牙5.1終端產(chǎn)品的射頻性能,直接影響到應用軟件的方向計算結(jié)果,導致定位精度無法達到最佳。潤博君按照藍牙當前的定位技術(shù)和最新的5.1尋向技術(shù),針對藍牙5.1的終端,提出一套測試方案,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

藍牙技術(shù)已經(jīng)普遍應用于智能手機、健康手環(huán)和電腦等電子設(shè)備,得到廣泛的關(guān)注。據(jù)藍牙組織統(tǒng)計,目前有不少于80億藍牙設(shè)備,在未來,物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展中,藍牙設(shè)備的數(shù)量會越來越龐大。由于衛(wèi)星信號受到遮擋后衰減,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,基于低功耗藍牙的定位方案受到人們的追捧,已經(jīng)在市場上得到實際應用。但是,現(xiàn)有的藍牙定位方案,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,藍牙組織根據(jù)人們在室內(nèi)定位方面的需求,在藍牙5.1中新增了藍牙尋向功能,結(jié)合現(xiàn)有的藍牙定位方案,定位的精確度可達到厘米級。

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

二、藍牙定位的應用介紹

無線電波在傳輸過程中,隨著傳輸距離的增加,信號會逐漸衰減。根據(jù)此特性,當前的藍牙定位方案基于相同的實現(xiàn)方式:根據(jù)測試發(fā)信方的信號強度,藍牙受信設(shè)備估算與發(fā)信方的距離。根據(jù)定位的應用場景,主要分為兩個應用方向,藍牙感知技術(shù)和藍牙定位技術(shù)。

2.1、藍牙感知技術(shù)

藍牙感知技術(shù)的實現(xiàn)相對簡單:根據(jù)發(fā)信方的信號強度變化來判斷發(fā)信方的位置。如圖1所示,受信方接收到發(fā)信方的信號,對信號進行分析后,估算距離遠近,在移動中,隨著距離發(fā)生變化,信號強度發(fā)生變化,信號增強,則更接近發(fā)信方,反之,則遠離發(fā)信方。

圖片

圖1:藍牙接近

基于藍牙感知技術(shù),目前的應用是物品查找和興趣熱點兩種服務。物品查找主要是針對個人的一些應用,比如尋找個人用品,錢包或者鑰匙。在錢包里放置藍牙設(shè)備,用戶根據(jù)手機中的一個應用軟件,搜索該藍牙設(shè)備,就能監(jiān)控或?qū)ふ义X包。

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

藍牙感知技術(shù),從自身移動時信號強度的變化判斷與發(fā)信方的距離遠近變化,在實際應用中,需要“移動”較長的時間,才能找到大約的方向,用戶體驗較差,所以,只能應用于一些簡單的場景。

2.2、藍牙定位技術(shù)

藍牙感知技術(shù)是端對端的簡單應用,而藍牙定位技術(shù)則是相同原理下的一種復雜應用,主要分為實時追蹤和室內(nèi)定位兩個應用方向。

2.2.1、實時追蹤

實時追蹤,主要應用于資產(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)護設(shè)備和病人,可以通過實時定位,進行更安全更優(yōu)化的管理。如圖2,在室內(nèi)特定位置的安裝藍牙接收機,實時接收從被追蹤者發(fā)出的信號,藍牙接收機將各自接收到的信號強度上報給服務中心,通過計算得到被追蹤者的位置。根據(jù)平面三點定位的要求,平面上需要安裝至少三個接收機,所有接收機需要構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),由服務中心統(tǒng)一管理。

根據(jù)對實時性的要求,可以設(shè)置被追蹤者信號的發(fā)射周期,發(fā)射周期越大,電池的能耗越小,被追蹤者待機時間也越長,該周期的長短直接決定了追蹤位置的刷新率。

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圖2:實時定位拓撲圖

2.2.2、室內(nèi)定位

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

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圖3 室內(nèi)定位拓撲圖

藍牙定位技術(shù),首先,需要在室內(nèi)布置一定數(shù)量的固定藍牙設(shè)備,而且,這些藍牙設(shè)備的位置坐標時已知的。其次,通過測量信號強度估算距離,由于估算的精度有限,目前的定位精度為1到10米,該定位精度遠達不到市場的需求。針對該問題,藍牙組織在藍牙5.1中引入了尋向技術(shù),將定位精度提高到厘米級。

三、藍牙5.1:尋向功能

在藍牙5.1新增的幾個功能中,藍牙尋向功能是最重要的特性。根據(jù)應用場景的不同,分成兩種尋向方式,到達角度(AoA)和離開角度(AoD)。

3.1、到達角度(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)波信號到達受信方后,由于受信方每個天線與發(fā)信方的距離差異,到達的時間形成差異,造成了電磁波的相位差異。每個天線上可以得到不同的相位信息,利用天線間的相位差,AoA測試法就可以計算得到與被定位對象的角度。從應用場景上,AoA類似于當前的藍牙實時追蹤技術(shù)。

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圖4 AoA定位模型

如圖5,d為接收天線陣列中兩個天線的距離,為兩個天線的相位差,為波長。

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圖5 到達角度計算

根據(jù)公式1,就能計算得到到達角度。

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3.2、離開角度(AoD)

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

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圖6 AoD定位模型

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

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圖7 離開角度計算

3.3、藍牙尋向的技術(shù)優(yōu)勢

相對于現(xiàn)有的藍牙定位技術(shù)方案,尋向技術(shù)的引入,對定位精度的改進有了新的突破口。

首先,藍牙感知是根據(jù)接收信號強度的變化,分析距離遠近變化,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,無需信號強弱分析,直接計算發(fā)信方的方向。所以,藍牙尋向在物品查找和興趣熱點兩種服務的應用中,優(yōu)勢更加明顯。

其次,現(xiàn)有的實時追蹤和室內(nèi)定位的應用中,根據(jù)信號強度測距,會帶來很大的誤差。如果引入尋向技術(shù),結(jié)合方向信息和信號測距結(jié)果,能得到更準確的位置信息。

因此,藍牙尋向的引入,讓藍牙定位有了更大的發(fā)展空間。

3.4、藍牙尋向的實現(xiàn)難點

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

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圖8 藍牙5.1的信號格式

首先,波長由發(fā)射信號頻率決定。因為(Constant Tone Extension)CTE由全1的符號組成,CTE部分的頻率為調(diào)頻后的頻率,真實的波長由載波頻率和調(diào)制頻率的準確性來決定。

其次,是接收方通過信號采集,分析得到的結(jié)果。如圖9所示,多天線發(fā)射或者接收時,需要在各個天線上依次發(fā)送信號,每次切換天線時,需要預留一個切換時隙,作為保護間隔。所以,天線切換和相位的連續(xù)性也會對尋向計算產(chǎn)生影響。

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圖9 CTE信號收發(fā)時隙

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,分析對角度計算結(jié)果的影響。如圖10,圖中曲線分別為理想角度和實際計算角度,理想角度保持恒定,當天線距離的誤差增大時,實際計算的角度有遞增趨勢。

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圖10 天線距離誤差對尋向結(jié)果的影響

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

四、藍牙5.1的測試

根據(jù)藍牙尋向產(chǎn)品的分類,藍牙組織在測試規(guī)范中分別對到達角度(AoA)和離開角度(AoD)的產(chǎn)品,制定了發(fā)射機和接收機的測試項目。

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

接收機的測試項目,針對被測件尋向的要求,需要對接收到的信號功率和相位進行計算。AoA產(chǎn)品具有多天線,工作時多天線分時接收,每個天線準確的計算相位信息,是尋向精度的保證。

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

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圖11 AoD接收機和AoA發(fā)射機的測試

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

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圖12 AoD發(fā)射機和AoA接收機的測試

因為測試儀器發(fā)送信號的相位和功率是可編輯的,所以,在產(chǎn)品整機的研發(fā)和生產(chǎn)階段,利用測試儀表發(fā)出的信號,測試整機定位的準確性。如圖13,測試儀在發(fā)射信號的相應時隙,改變每個接收天線的對應相位P0、P1、P2和P3,模擬相應的角度。圖中四個天線接收的信號,對應時隙的實測相位為△P0、△P1、△P2和△P3,根據(jù)實測相位,被測設(shè)備計算得到定位角度。模擬的偏差,即為尋向偏差。

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圖13 測試儀表模擬相位變化

如果動態(tài)的改變信號的相位和功率,測試儀表可以模擬移動中的定位場景。功率的變化,對應于發(fā)信方與受信方之間距離遠近的變化;相位的變化,對應于雙方方向的變化。根據(jù)應用場景,按照一定的“速度”來改變發(fā)射信號的功率和相位,可以模擬相應的移動速度和軌跡。結(jié)合應用程序和地圖信息,可以測試終端在移動場景下的定位能力。

綜上所述,采用測試儀表,可以對藍牙尋向產(chǎn)品的射頻指標進行定量分析,也可以模擬現(xiàn)實的定位場景,進行定位服務的應用測試,在測試中發(fā)現(xiàn)和糾正尋向偏差。

五、總結(jié)

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

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