使用支持藍(lán)牙 5.1 的平臺進(jìn)行精確的資產(chǎn)跟蹤和室內(nèi)定位 - 第 1 部分

RF 測向技術(shù)

基于 RSSI 的射頻 (RF) 測向功能可以按照信號強(qiáng)度提供距離估算。通過從不同點(diǎn)進(jìn)行多次距離測量，可以達(dá)到更高的精度。RSSI 的一大關(guān)鍵優(yōu)勢是每部設(shè)備只需要一個(gè)天線，從而避免了天線陣列的復(fù)雜性、成本和尺寸問題。該技術(shù)的不足之處在于缺乏精度，其精度僅為 3 m - 5 m。

第二種常見的測向技術(shù)稱為“到達(dá)時(shí)間”(ToA)，也就是無線電信號從單個(gè)發(fā)射器到單個(gè)遠(yuǎn)程接收器的行程時(shí)間。這種方法同樣只要求每部設(shè)備一個(gè)天線，但不足之處是要求每部設(shè)備都搭載高精度的同步時(shí)鐘。ToA 系統(tǒng)的定位精度可以接近 1 m。

隨著藍(lán)牙 5.1 規(guī)范的發(fā)布，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 決定支持基于 AoA 和 AoD 的第三種測向技術(shù)。

使用 AoA 方法，接收設(shè)備可以跟蹤單獨(dú)對象的到達(dá)角，而使用 AoD 方法，接收設(shè)備可以使用來自多個(gè)信標(biāo)的角度及其位置，計(jì)算自身在空間中的位置（圖 1）。

圖 1：在 AoA 測向方法（左）中，資產(chǎn)將其位置廣播 (TX) 至 AoA 定位器，再由定位器測量信號的到達(dá)角。使用 AoD 方法（右），信標(biāo)發(fā)射 AoD 信息，移動設(shè)備則接收 (RX) 信標(biāo)信號并計(jì)算位置。在這兩種情況下，接收設(shè)備都需要計(jì)算能力，以便計(jì)算發(fā)射器的方向。（圖片來源：Silicon Labs）

之所以決定在藍(lán)牙 5.1 中增加測向功能，部分原因是受到一些創(chuàng)業(yè)公司的影響，他們已經(jīng)為低功耗藍(lán)牙 (BLE) 產(chǎn)品提供了專有的 AoA 和 AoD 解決方案。借助藍(lán)牙 5.1，開發(fā)人員能夠通過核心規(guī)范更新，更容易地從 BLE 數(shù)據(jù)包提取“IQ”信號數(shù)據(jù)（同相和正交相位信息），從而更輕松地利用 RF 測向功能。這又讓開發(fā)人員能夠更輕松地實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)應(yīng)用。

例如，AoA 方法適合跟蹤發(fā)射 BLE 的收發(fā)器。收發(fā)器使用一個(gè)天線發(fā)送支持測向的數(shù)據(jù)包，由多天線“定位器”接收數(shù)據(jù)包。定位器對來自信號數(shù)據(jù)包的 IQ 數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，同時(shí)在陣列中的每個(gè)有源天線之間切換，這樣它可以檢測信號的相差，這種相差是由于陣列中的每個(gè)天線與單一信號發(fā)射天線的距離差異導(dǎo)致的。然后，定位引擎利用相差信息來確定接收信號的角度，再確定發(fā)射器的方向（圖 2）。

圖 2：如果已知每個(gè)天線上的信號相位 (θ)、波長 (λ) 以及相鄰天線間的距離 (d)，則可計(jì)算無線電信號的到達(dá)角。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

若將來自兩個(gè)或更多定位器的計(jì)算信號方向相結(jié)合，便可確定發(fā)射器位置（圖 3）。

圖 3：通過計(jì)算兩個(gè)固定定位器的信號 AoA，可在三個(gè)維度上計(jì)算發(fā)射資產(chǎn)的位置。如果已知定位器的絕對坐標(biāo)，還可計(jì)算發(fā)射資產(chǎn)的絕對坐標(biāo)。（圖片來源：Silicon Labs）

對于 AoD 方法，情況正好相反。在這種場景中，帶有天線陣列的設(shè)備通過每個(gè)天線發(fā)送信號。當(dāng)來自陣列中天線的每個(gè)信號數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器的單個(gè)天線時(shí)，由于信號從發(fā)射器傳輸?shù)木嚯x不同，它相對于前一個(gè)信號存在相移（圖 4）。

圖 4：使用 AoD 方法，當(dāng)來自陣列中天線的每個(gè)信號數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器的單個(gè)天線時(shí)，由于信號從發(fā)射器傳輸?shù)木嚯x不同，它相對于前一個(gè)信號存在相移。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

接收設(shè)備的天線從信號數(shù)據(jù)包提取 IQ 樣本，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至定位引擎，然后定位引擎使用數(shù)據(jù)來確定接收信號的角度，再確定發(fā)射器的方向。此系統(tǒng)適合室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用，其中的發(fā)射器是固定的參考點(diǎn)，而接收器可能是消費(fèi)者的智能手機(jī)。

藍(lán)牙 5.1 更新

藍(lán)牙 5.1 要求更改 RF 軟件協(xié)議（或“堆?！保?，還需要一些硬件（無線電）增強(qiáng)功能，這要取決于芯片制造商。首先，經(jīng)過修訂的協(xié)議為任何用于測向的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包添加了固定頻率擴(kuò)展信號 (CTE)。（數(shù)據(jù)包沒有通過其他方式修改，因而可用于標(biāo)準(zhǔn) BLE 通信。）

CTE 是一種沒有經(jīng)過調(diào)制的信號，以藍(lán)牙載波頻率加上 250 kHz 的頻率發(fā)送（使用 BLE 的更高吞吐量模式時(shí)，則加上 500 kHz），持續(xù) 16 至 160 μs。該信號包括一個(gè)由 1 組成的“未白化”序列，傳輸時(shí)間足夠長，讓接收器能夠提取 IQ 數(shù)據(jù)，而不會對調(diào)制產(chǎn)生干擾效果。由于 CTE 信號在最后發(fā)射，因此數(shù)據(jù)包的循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 不受影響。

規(guī)范的第二個(gè)重要新增功能可讓開發(fā)人員更簡單地配置協(xié)議，以便執(zhí)行 IQ 采樣。這種配置包括設(shè)置采樣定時(shí)和天線切換，這對于位置估算的精度至關(guān)重要。

雖然可以使用不同的 IQ 采樣定時(shí)配置，但通常情況下，在每個(gè)天線的參考周期內(nèi)，每隔 1 或 2 μs 記錄一個(gè) IQ 樣本，結(jié)果記錄在 BLE SoC 的隨機(jī)存取存儲器 (RAM) 中。接收信號的相位會發(fā)生變化，因?yàn)樗怯申嚵兄械牟煌炀€采樣的，如圖 5 所示。[1]

圖 5：來自單個(gè)發(fā)射器的信號在到達(dá)不同距離外的天線時(shí)呈現(xiàn)不同的相位。（圖片來源：藍(lán)牙 SIG）

記錄 IQ 樣本只是構(gòu)建定位服務(wù)應(yīng)用的第一步。為了完成這個(gè)任務(wù)，開發(fā)人員必須為應(yīng)用中的定位器和信標(biāo)設(shè)計(jì)或選擇最佳天線陣列，還必須掌握執(zhí)行測向計(jì)算所需的復(fù)雜算法。

計(jì)算信號方向

用于測向的天線陣列通常分為三個(gè)陣列類型：均勻直線陣列 (ULA)、均勻矩形陣列 (URA) 和均勻圓形陣列 (UCA)。顧名思義，直線陣列是一維的，而矩形陣列和圓形陣列是二維的。ULA 最容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，但其缺陷是必須假定所跟蹤的設(shè)備始終在同一平面上移動，才能計(jì)算方位角。否則，精度就會受到影響。URA 和 UCA 則能夠可靠地測量方位角和仰角（圖 6）。

圖 6：AoA 和 AoD 測向技術(shù)需要天線陣列，常見形式包括直線、矩形和圓形陣列。雖然每種類型的陣列都可以獲取關(guān)于仰角和方位角的信息，但矩形和圓形陣列提供的方位數(shù)據(jù)更加可靠。（圖片來源：Silicon Labs）

設(shè)計(jì)用于測向的天線陣列并不簡單。例如，當(dāng)天線放置在陣列中時(shí)，它們會通過互耦，干擾彼此的響應(yīng)。為了考慮這些影響，估算算法通常需要預(yù)定義的陣列響應(yīng)。例如，一種流行的商用算法在數(shù)學(xué)上假定陣列是由兩個(gè)相同的子陣列形成的。幸運(yùn)的是，對于那些缺乏天線專業(yè)知識的人員，可以使用具有指定特征的商用天線陣列產(chǎn)品。

有效的天線陣列可確保收集到精確的 IQ 樣本。但是，原始數(shù)據(jù)不足以確定信號方向；這些數(shù)據(jù)必須進(jìn)行處理，充分考慮多路徑接收、信號極化和傳播延遲、噪聲和抖動。

由于 RF 測向并非新學(xué)科，因而已經(jīng)有了一些成熟的數(shù)學(xué)方法，能夠基于在實(shí)際應(yīng)用中獲取的 IQ 樣本來估算到達(dá)角。問題的定義，即估算發(fā)射（窄帶）信號到達(dá)接收陣列的到達(dá)角（出發(fā)角的計(jì)算也類似）非常簡單，但解算它所需的數(shù)學(xué)計(jì)算卻不那么簡單。

基本來說，假定陣列中的每個(gè)天線有一組 IQ 樣本數(shù)據(jù)，商用算法首先按照以下公式（假定信號存在相移，而且是縮放的正弦窄帶信號）來計(jì)算數(shù)據(jù)矢量“x”：

?公式 1

其中“a”是天線陣列的數(shù)學(xué)模型（“導(dǎo)向矢量”），

“s”是傳入信號，“n”是噪聲項(xiàng)。

然后使用 x 和以下公式來生成 IQ 樣本協(xié)方差矩陣“Rxx”：

公式 2

這個(gè)樣本協(xié)方差矩陣隨后用作主要估算器算法的輸入。用于頻率估算和無線電測向的最流行且經(jīng)過驗(yàn)證的算法之一，便是多重信號分類 (MUSIC)。從技術(shù)角度講，MUSIC 利用協(xié)方差矩陣的特征向量分解和本征值，基于信號和噪聲子空間的屬性來估算 AoA。

使用的公式是：

?公式 3

其中“A”是包含本征值的對角矩陣，“V”是包含相應(yīng)特征向量的矩陣。

一旦 V 隔離，即可在公式中使用它來生成偽譜，峰值出現(xiàn)在接收信號的到達(dá)角（公式 4）：

公式 4

產(chǎn)生的頻譜如下所示，峰值出現(xiàn)在傳輸信號到達(dá)的方向（圖 7）。[2]

圖 7：MUSIC 算法使用 IQ 樣本生成具有峰值的功率偽譜，從而找到發(fā)射設(shè)備的位置。本例顯示了一個(gè) 2-D 偽譜，其中的發(fā)射設(shè)備位于 50 度方位角和 45 度仰角。（圖片來源：Silicon Labs）

運(yùn)行測向算法的計(jì)算量很大，需要足夠的 RAM 和閃存容量。

具有相應(yīng)資源的商用藍(lán)牙 5.1 產(chǎn)品已經(jīng)上市。例如，Dialog Semiconductor提供DA14691藍(lán)牙 5 LE SoC，適用于定位服務(wù)應(yīng)用。該芯片采用Arm?Cortex?-M33 微處理器，提供 512 KB 的 RAM。Silicon Labs發(fā)布了EFR32BG13BLE SoC 的藍(lán)牙 5.1 堆棧，該芯片采用 Arm Cortex-M4 微處理器，提供 64 KB 的 RAM 和 512 KB 閃存。

Nordic Semiconductor則更進(jìn)一步，他們發(fā)布了全新“測向”硬件nRF52811。這款 BLE SoC 可以兼容藍(lán)牙 5.1，集成了 Arm Cortex M4 微處理器，并結(jié)合了來自 Nordic 的高端nRF52840無線 SoC 的多協(xié)議無線電。該芯片提供 192 KB 的閃存和 24 KB 的 RAM。

本系列文章的第 2 部分將解釋如何使用基于這些 SoC 和堆棧的開發(fā)平臺（結(jié)合其他組件，包括天線陣列、輔助微處理器和相關(guān)存儲器，以及“定位引擎”固件），來實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)應(yīng)用，例如資產(chǎn)跟蹤和 IPS。

總結(jié)

憑借藍(lán)牙 5.1 近期采用的核心規(guī)范增強(qiáng)功能，用戶能夠更輕松地獲取 IQ 數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于饋送 RF 測向算法，從而計(jì)算藍(lán)牙無線電發(fā)射的 AoA 或 AoD，然后利用這些信息，在兩個(gè)或三個(gè)維度上估算發(fā)射器的位置。

雖然這些算法可為資產(chǎn)跟蹤和 IPS 等實(shí)際定位服務(wù)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，但它們的精度要依賴于設(shè)計(jì)合理的天線陣列和經(jīng)過驗(yàn)證的 RF 測向算法，還必須有足夠的處理器和存儲器資源來執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算。

在本系列文章的第 2 部分，我們將論述，雖然開發(fā)并不簡單，但隨著商用藍(lán)牙 5.1 測向平臺、天線陣列和定位引擎固件的推出，設(shè)計(jì)人員能夠更簡單地開始構(gòu)建厘米級精度的定位服務(wù)應(yīng)用。