藍牙技術支持精確定位
2024-07-17 12:47:34 Charlie Ice，恩智浦想象一下，步入客廳時，手機立刻顯示出房間的燈光、溫度和電視設置。而離開客廳進入臥室，手機也會自動顯示臥室的智能設備設置。
如果家居設備通過智能手機安全準確地知道人在家中或建筑中的位置，這一切都能實現。信道探測技術不僅能提升生活的便利性，還能用于高效的能源管理。以恩智浦在“國際嵌入式大會”上展示的信道探測演示為例，空調能夠使用通道探測技術自動開啟或關閉。隨著未來幾代BLE標準的推出，這種基于信道探測的定位功能有望變得像藍牙技術一樣普及。
測距并非新興技術
利用藍牙技術進行距離測量并非新概念，為此已開發了多種技術。藍牙標準問世不久，便采用了接收信號強度(RSSI)來進行初步的距離估算(見圖1)。盡管RSSI操作簡便，且受到眾多藍牙設備支持，但它在準確性和安全性方面存在明顯的局限。通過使用多個天線和到達角/離開角(AoA/AoD)技術，提高了RSSI的測量精度(如圖2所示)，但這并未克服其安全性問題。AoA/AoD技術要求天線設計和布局極為精確，這不僅增加了成本，也加大了制造難度。產品中天線的位置公差必須控制得非常嚴格，否則任何微小的偏差都會影響測量精度。此外，RSSI、AoA和AoD的信號強度測量都可能受到墻壁和物體反射信號的干擾。正因為這些方法的限制，藍牙SIG開始探索一種名為信道探測的替代技術。
圖1——接收信號強度(RSSI)使用接收信號的強度來估計距離
圖2——到達角/離開角使用天線陣列來估計距離
在使用RSSI、AoA和AoD技術進行距離測量時，極易遭受“中間人”攻擊。這些技術僅通過信號強度來推斷距離，因此，如果有攻擊者能夠人為地增強信號，接收設備就會檢測到更強的信號并據此判斷目標更近。如圖3所示。這種漏洞在門鎖等應用中尤為嚴重，因為攻擊者可能會在最終用戶接近門鎖之前就將其解鎖。例如，在商業樓宇中，員工在停車場泊車時，攻擊者就有可能趁機潛入該樓宇。
圖3——攻擊者增強發射器信號的“中間人”攻擊
改進后的測距方法
信道探測技術將成為使用BLE進行距離估計的安全且準確的新標準。它巧妙地將飛行時間(ToF)和往返相位(RTP)兩種測距技術融入到標準的BLE數據傳輸中，如圖4所示。具體來說，啟動器首先發送ToF數據包給反射器，反射器接收后回復一個帶有接收時間標記的ToF數據包。通過這種方式，利用光速，啟動器能夠得到一個安全、大致的距離估計。隨后，啟動器會發送一系列聲音信號至反射器，反射器再將這些聲音信號返回。通過分析這些信號的相位變化，可以實現更為精確的距離測量。結合這兩種技術，信道探測能夠在露天環境下達到±0.5米的精確度，為兩個BLE設備之間的距離測量提供了一種既安全又準確的方法。
信道探測也大大提高了安全性，能夠有效防止使用現有技術的“中間人”攻擊風險。這是通過在距離估計中使用加密的、帶時間戳的數據包來實現的，攻擊者無法復制這些數據包。同時，信道探測通過比較ToF和RTP的測量結果來確保一致性。在這些技術的加持下，通道探測為強大的安全性奠定了堅實的基礎。
圖4——通道探測程序方法
信道探測將為藍牙定位帶來許多優勢，包括恩智浦在內的許多硅片供應商已經開始為他們的芯片組提供信道探測功能的支持。啟動器和反射器設備都需要具備信道探測功能，隨著智能手機迅速集成探測功能，該功能預計將迅速普及，成為標準配置。
恩智浦助力實施信道探測技術
ToF和RTP距離估計算法計算量大，很容易使標準藍牙MCU的內核處理能力達到極限。為了幫助開發人員更快地將具有“定位”功能的產品推向市場，新發布的MCX W72無線MCU系列提供了對最新藍牙信道探測標準的支持。MCX W72系列內置了一個定位計算引擎，有效降低了距離估計算法對性能的影響和響應時間。MCX W72是一款安全、靈活、穩健的多協議無線MCU系列，支持Matter with Thread、Zigbee和BLE，適用于樓宇自動化、智能家居和其他無線互聯設備。MCX W72的全面功能集，包括其定位計算引擎，展示在圖3中。
圖5——帶有定位計算引擎(LCE)的MCX W72結構框圖
為創新搭建平臺
藍牙信道探測技術的引入，憑借其卓越的安全性和精確度，為眾多創新的工業和物聯網應用敞開了新的大門，特別是當與超寬帶(UWB)等先進技術結合使用時。UWB技術通過在寬頻段上發送短脈沖信號，實現了短距離內的安全且精確的距離測量，精度通常可達厘米級。這兩種技術的結合極大地提升了用戶體驗。例如，在汽車領域，藍牙信道探測可用于安全且準確地進行較長距離的粗略測距，而當用戶接近汽車時，則切換至UWB射頻單元以實現更精細的定位。這種方法可以使UWB射頻單元保持更長的斷電時間，從而節省汽車和用戶智能手機的電力。Aliro智能門鎖標準的推出，將藍牙RSSI測距技術與UWB相結合，為藍牙信道探測的未來創新奠定了堅實的基礎。恩智浦的Trimension?系列結合了超寬帶(UWB)安全雷達和精細測距功能，與新推出的MCX W72無線微控制器一起，構成了一個完整的定位設計平臺。
藍牙信道探測開啟了藍牙和定位技術令人興奮的新篇章。隨著主流智能手機芯片組供應商紛紛宣布支持信道探測，我們很快就會看到配備了這一技術的新款智能手機，它們將能夠安全且準確地測量距離。這一技術的應用前景廣闊，門鎖和車鑰匙僅僅是開始，未來將有更多創新的物聯網應用誕生。
Charlie Ice，恩智浦半導體無線產品市場營銷
Charlie Ice負責恩智浦無線產品市場營銷，專注于公司的無線MCU。他擁有超過十年在科技領域的產品管理經驗，于2022年加入恩智浦。他在微控制器、數字電機與電源控制，以及測試與測量設備方面擁有豐富的知識。在加入恩智浦之前，Charlie在Silicon Labs負責汽車隔離產品的管理工作。他擁有萊斯大學電氣工程碩士和理學學士學位。
