一文讀懂室內(nèi)定位技術(shù)

目前Bluetooth AoA可以有兩種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，第一，室內(nèi)位置定位；第二，無(wú)鑰匙進(jìn)入，我們一一敘述，今天只講第一種。

1. 室內(nèi)定位技術(shù)梳理

目前室內(nèi)定位有采用UWB，Wifi，BLE信標(biāo)和BLE AoA三種實(shí)現(xiàn)方式，UWB精度在0.1-1米范圍，Wifi，BLE信標(biāo)誤差范圍較大在5-20m范圍，Quuppa作為第一家商用BLE AoA定位服務(wù)公司，可以精度范圍在0.1-1m范圍。（采用TI CC254x，Nordic5281x芯片）。

Quuppa測(cè)試數(shù)據(jù)

2. 室內(nèi)定位原理分析

無(wú)論采用何種定位方式，室內(nèi)定位系統(tǒng)需要建模實(shí)際場(chǎng)景，在室內(nèi)區(qū)域部署接收機(jī)路由器，并在建模地圖中標(biāo)記相應(yīng)位置；手機(jī)或是信標(biāo)模塊，作為beacon發(fā)射機(jī)，發(fā)送無(wú)線信號(hào)，部署在固定位置的接收機(jī)在接收到無(wú)線信號(hào)后即可判定該信標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域范圍。

在確定區(qū)域范圍之后，可以通過(guò)多天線測(cè)量beacon信號(hào)到達(dá)角度，以及三角形定位法，即可計(jì)算出beacon設(shè)備精確位置。

三角定位三角定位法顧名思義即通過(guò)兩組到達(dá)角度，確定beacon設(shè)備位置，如下圖所示，兩組天線即可測(cè)量到一個(gè)到達(dá)角度，兩個(gè)到達(dá)角度即可確定設(shè)備A位置。關(guān)鍵問(wèn)題來(lái)了，d和D都是已知參數(shù)，如何求θ1，和θ2。

3. 到達(dá)角度AoA（Angle of Arrive）測(cè)量原理

工作頻率：藍(lán)牙信號(hào)在ISM (Industrial Scientific and Medical ) 2.40GHz到2.41GHz頻段工作，帶寬為2M hz，藍(lán)牙分為三個(gè)廣播信道，37，38，39，并且在藍(lán)牙5.x規(guī)范當(dāng)中，Bluetooth LE部分的擴(kuò)展廣播信道可以在0-39任意信道，也即位藍(lán)牙信標(biāo)可以工作在任何藍(lán)牙頻道。（藍(lán)牙在工作時(shí)的工作頻率不一致，會(huì)影響藍(lán)牙的波長(zhǎng)λ發(fā)生變化）。

相位：無(wú)線信號(hào)在空中傳播是連續(xù)的，RX接收機(jī)通常會(huì)接受該頻段范圍內(nèi)0-2π整個(gè)無(wú)線信號(hào)的傳輸時(shí)間的信號(hào)并解調(diào)。

到達(dá)角度計(jì)算：假設(shè)目前有一固定頻率藍(lán)牙beacon信號(hào)在空曠區(qū)域進(jìn)行傳播（忽略遇到障礙物以及空中其他2.4G信號(hào)干擾），如果兩接收機(jī)處于相同TX端相同半徑上，在某一時(shí)刻t，RX接收機(jī)接收到的相位差理應(yīng)為0，但如量接收機(jī)處于半徑不一致的位置，在某一時(shí)刻t，RX接收機(jī)的相位是有一個(gè)差值。

如果上面的這幅圖不好理解，我們換下面的示意圖來(lái)表示這幅，信號(hào)在傳輸過(guò)程中因天線位置不同，在某一個(gè)時(shí)間t上，采樣到該信號(hào)的相位有差異。

在已知兩天線位置d，beacon信號(hào)頻率（即波長(zhǎng)），可以計(jì)算出beacon信號(hào)與天線A1，A2直接的相位差θ，在計(jì)算出不同位置的兩組θ，即可計(jì)算出beacon信號(hào)的位置。

AoA測(cè)量誤差

在2維平面為例，會(huì)存在兩個(gè)為a的角度，在現(xiàn)實(shí)三位坐標(biāo)下，則會(huì)有一個(gè)以a為半徑的圓的軌跡線，AoA接收機(jī)只知道該beacon信號(hào)處于該圓圈軌跡上，但無(wú)法判斷它們處于哪個(gè)位置，這個(gè)時(shí)候就需要正交天線陣列來(lái)確認(rèn)beacon點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

天線陣列的布置方式多種多樣，一為定位，二為最大化減少接收機(jī)部署的個(gè)數(shù)，常見(jiàn)天線整列部署如下所示。

天線陣列舉例

TI德州儀器EVM天線陣列

Quuppa接收機(jī)拆機(jī)天線陣列

4. Bluetooth 5.1 AoA軟件部署

藍(lán)牙聯(lián)盟在5.1協(xié)議中為AoA協(xié)議在邏輯鏈路層(LL)做了相應(yīng)規(guī)范。

AoA/AoD可以在1M或者2M常規(guī)PHY下工作（不支持編碼PHY），支持廣播模式和連接模式兩種類型。數(shù)據(jù)傳輸格式做了如下要求：在PDU數(shù)據(jù)包中，規(guī)范了AoA/AoD規(guī)范，CTE是AoA/AoD數(shù)據(jù)包的擴(kuò)展數(shù)據(jù)，持續(xù)時(shí)常16-160us，250khz信號(hào)調(diào)制在載波之上，無(wú)白化，無(wú)CRC效驗(yàn)，該信號(hào)用于接收機(jī)RX在t時(shí)間采樣信號(hào)I/Q值，計(jì)算相位差使用。

5. AoA設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

信號(hào)反射干擾

上文討論是在理想情況下，空曠距離，無(wú)其他信號(hào)干擾，現(xiàn)實(shí)使用場(chǎng)景中RX接收機(jī)會(huì)接收到自己或者其他aoa becaon信號(hào)反射信號(hào)，該信號(hào)同樣攜帶CTE擴(kuò)展數(shù)據(jù)包，但是屬于噪聲信號(hào)需要消除。

開(kāi)關(guān)時(shí)間補(bǔ)償

一個(gè)RF內(nèi)核控制多路RF天線，除信號(hào)在空氣介質(zhì)傳輸?shù)臅r(shí)間，RF開(kāi)關(guān)切換時(shí)間需要考慮在內(nèi)加以補(bǔ)償。

角度值誤差

測(cè)量必有誤差，該誤差范圍通常在3%-5%，需要靠算法降低誤差。

6. AoA角度測(cè)量芯片供應(yīng)商