為什么藍(lán)牙信道探測(cè)將引領(lǐng)高精度定位服務(wù)？

從藍(lán)牙耳機(jī)到智能家居設(shè)備，藍(lán)牙技術(shù)因其成熟的音頻流和數(shù)據(jù)傳輸功能已成為我們生活中的一部分。一項(xiàng)新技術(shù)——藍(lán)牙信道探測(cè)（Bluetooth Channel Sounding）正向高精度定位服務(wù)市場(chǎng)邁進(jìn)。

本文信馳達(dá)（RF-star）將介紹藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)定義、工作原理 、在定位服務(wù)中的優(yōu)勢(shì)、以及Channel Sounding的主要應(yīng)用場(chǎng)景。最后，我們還將為您介紹藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)與UWB超寬帶技術(shù)的混合解決方案在高精度定位服務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

藍(lán)牙信道探測(cè)是什么

藍(lán)牙信道探測(cè)，英文全稱(chēng)為：Bluetooth Channel Sounding, 先前被稱(chēng)為高精度距離測(cè)量（High-Accuracy Distance Measurement），它是一種計(jì)算兩個(gè)低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間精準(zhǔn)距離和定位的新技術(shù)。該技術(shù)是利用多個(gè)信道上的相位測(cè)距（Phase-Based Ranging）來(lái)獲得準(zhǔn)確的距離測(cè)量。

藍(lán)牙信道探測(cè)工作原理

如圖1所示，當(dāng)使用信道探測(cè)測(cè)算距離時(shí)， 設(shè)備A啟動(dòng)程序(initiator)， 設(shè)備B在不修改相位的情況下重復(fù)信號(hào)傳輸(reflector)。設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號(hào)，然后設(shè)備B測(cè)量這個(gè)信號(hào)的相位，并以相同的相位將其傳回設(shè)備A。隨后，設(shè)備A評(píng)估所發(fā)送和接收的無(wú)線(xiàn)信號(hào)之間的相位差異，來(lái)精確估計(jì)兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的距離。為了提高測(cè)量精度，這個(gè)過(guò)程會(huì)在不同的信道頻率上重復(fù)多次，因此藍(lán)牙設(shè)備可以利用相位數(shù)據(jù)精確地估算出距離。

圖1 藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)定位原理

藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

高達(dá)10厘米的測(cè)距精度

盡管現(xiàn)有的藍(lán)牙測(cè)距技術(shù)（如RSSI，AoA和AoD）仍然有其實(shí)用價(jià)值，但它們?cè)跍y(cè)距精度方面可能無(wú)法滿(mǎn)足更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用場(chǎng)景。

接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator），簡(jiǎn)稱(chēng)RSSI，是最原始的藍(lán)牙測(cè)距技術(shù)。它是根據(jù)兩個(gè)設(shè)備之間信號(hào)強(qiáng)度在傳輸距離中的衰減程度進(jìn)行距離估算。但是，RSSI的定位精度只有3~5米左右。此外，RSSI容易受到外部因素干擾，比如吸收和衍射。后來(lái)，更先進(jìn)的距離定位測(cè)量技術(shù)誕生了——到達(dá)角（AoA）和出發(fā)角（AoD）。AoA和AoD不直接估算距離，而是利用三角定位法從發(fā)出或接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)的角度進(jìn)行距離測(cè)量。AoA和AoD可以實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)的精度。然而，由于周?chē)h(huán)境的影響，其測(cè)量精度仍可能有較大波動(dòng)。例如，在有大量障礙物和反射面的室內(nèi)空間中，多徑傳播可能會(huì)影響測(cè)量的精確性。與先前的藍(lán)牙測(cè)距技術(shù)不同的是，藍(lán)牙信道探測(cè)是基于相位測(cè)距（PBR）的，其精度可高達(dá)10厘米。即使藍(lán)牙設(shè)備處于比較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，Channel Sounding也比RSSI、AoA/AoD能夠提供更準(zhǔn)確的位置信息。

高安全——防中繼攻擊

RSSI除了精度低之外，還存在安全風(fēng)險(xiǎn)。其信號(hào)容易受中繼攻擊侵?jǐn)_，可能導(dǎo)致一些高安全性要求的方案中出現(xiàn)漏洞。例如，在PEPS系統(tǒng)中，攻擊者可能會(huì)增強(qiáng)RSSI信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)中繼手段欺騙系統(tǒng)認(rèn)為數(shù)字鑰匙位于附近。這些漏洞使RSSI不適用于高安全性的應(yīng)用。

而藍(lán)牙信道探測(cè)基于相位的測(cè)距算法可以防止中繼攻擊。此外，藍(lán)牙信道探測(cè)的鏈路層處理了廣播、掃描、連接管理、異步和常時(shí)等量數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)加密等過(guò)程。因此，藍(lán)牙信道探測(cè)功能在車(chē)輛安全進(jìn)入、門(mén)禁控制、數(shù)字鑰匙等高安全性應(yīng)用中表現(xiàn)突出。

低成本定位解決方案

AoA和AoD需要藍(lán)牙天線(xiàn)陣列才能獲得比較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，這無(wú)疑會(huì)增加整體項(xiàng)目成本。

超寬帶（UWB）是另一種高精度定位技術(shù)，可以達(dá)到厘米級(jí)的精度。但是，要使用UWB需要為無(wú)線(xiàn)設(shè)備添加新的芯片，而且相比低功耗藍(lán)牙技術(shù)，UWB的功耗更高，所以增加了成本預(yù)算和技術(shù)復(fù)雜性。

不難看出，利用信道探測(cè)的單天線(xiàn)低功耗藍(lán)牙方案比UWB解決方案更具有成本效益。

易集成 & 互操作

藍(lán)牙信道探測(cè)是通過(guò)現(xiàn)有的藍(lán)牙技術(shù)引入的，很容易集成到已有基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中。這意味著企業(yè)和開(kāi)發(fā)者將能夠快速獲得一種安全、低成本且高精度的定位解決方案，而無(wú)需增加額外的芯片。

總的來(lái)說(shuō)，具有更高的準(zhǔn)確性、安全性和靈活性的藍(lán)牙信道探測(cè)功能為許多應(yīng)用提供了更有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案。那么，藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)有哪些主要的應(yīng)用場(chǎng)景？

高精度測(cè)距定位應(yīng)用

室內(nèi)導(dǎo)航：在大型購(gòu)物中心，信道探測(cè)與其他新的藍(lán)牙技術(shù)，如電子貨架標(biāo)簽（ESL）協(xié)議的結(jié)合可以徹底改變室內(nèi)導(dǎo)航體驗(yàn)，為用戶(hù)提供精確的方向和實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。

資產(chǎn)跟蹤：工業(yè)和倉(cāng)儲(chǔ)的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)中已廣泛使用基于低功耗藍(lán)牙的定位服務(wù)。開(kāi)發(fā)者可以利用信道探測(cè)功能提升資產(chǎn)跟蹤的定位精度。這不僅有助于防止丟失或盜竊，還能簡(jiǎn)化庫(kù)存管理流程，提高運(yùn)營(yíng)效率。此外，它為一些更具挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)提供了先進(jìn)的功能，比如專(zhuān)業(yè)體育運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)追蹤。

汽車(chē)數(shù)字鑰匙：與依賴(lài)接收信號(hào)強(qiáng)度指示進(jìn)行距離估算的舊系統(tǒng)相比，利用信道探測(cè)測(cè)距定位的無(wú)鑰匙方案準(zhǔn)確性更高。這讓汽車(chē)制造商不僅能夠滿(mǎn)足精確度的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還能減少車(chē)輛上的藍(lán)牙天線(xiàn)數(shù)量。因此，汽車(chē)數(shù)字鑰匙總成本也隨之降低。此外，信道探測(cè)的安全性能也能有效防止對(duì)無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)的各種攻擊。

總之，與先前的藍(lán)牙定位技術(shù)相比，高安全、高精度、低功耗和低成本使藍(lán)牙信道探測(cè)非常適用于工業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)和消費(fèi)者資產(chǎn)跟蹤、ESL系統(tǒng)、實(shí)時(shí)體育/健身追蹤以及汽車(chē)數(shù)字鑰匙等應(yīng)用。

目前，德州儀器（TI）正與藍(lán)牙聯(lián)盟（SIG）通力合作，推動(dòng)藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)規(guī)范的制定。TI CC2340R5系列低功耗藍(lán)牙芯片未來(lái)將全面支持這一創(chuàng)新技術(shù)。

作為全球領(lǐng)先的低功耗藍(lán)牙（BLE）解決方案提供商，TI中國(guó)第三方IDH，信馳達(dá)（RF-star）一直致力于低功耗藍(lán)牙技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣和應(yīng)用?；赥I CC2340R5芯片多款藍(lán)牙模塊也將支持信道探測(cè)功能，未來(lái)更新SDK即可支持。信馳達(dá)的低功耗藍(lán)牙方案將為物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用提供高精度、高安全、低成本的測(cè)距定位服務(wù)。

未來(lái)，基于藍(lán)牙信道探測(cè)解決方案將在高精度定位服務(wù)中扮演重要角色。它可能不會(huì)完全替代UWB等其他定位測(cè)距技術(shù)，而是會(huì)與多種測(cè)距技術(shù)結(jié)合，形成混合解決方案被廣泛應(yīng)用。

審核編輯 黃宇