利用創新的Bluetooth?核心規范v5.1中的到達角（AoA）增強室內定位服務
2024-10-30 15:37:10 安森美現場應用系統工程師，Denis ZebrowskiBluetooth? 核心規范v5.1是藍牙技術發展的一個重大進步，尤其是其測向功能。這一功能提高了定位服務的精度，對室內導航和資產跟蹤等應用至關重要。
圖1：使用藍牙到達角技術的醫療保健需求不斷增長
藍牙測向是一項尖端技術，可增強各種設備的定位服務。有兩種方法可以遵循：到達角（AoA）和出發角（AoD）。
在零售應用中，提供對貨品流動、利用率和行為模式洞察的數據模型正在得到大力開發，以生成與業務相關的KPI，例如服務時長、最常用的路線、熱點和其他消費者行為指標（圖 2）。
圖2：零售店平面圖上可視化的“最常用”零售數據示例
藍牙測向方法的多功能性，如無連接和面向連接的操作模式，使其能夠適應更廣泛的應用，并有望在未來幾年在無線通信和定位服務領域開辟新的前景。
AoA是如何工作的，基本的設計原則是什么？
AoA 和 AoD 方法都利用了射頻信號測量的相同基本原理，但在信號處理和天線配置方法上有所不同。通過利用天線陣列，設備可以比以往更準確地確定信號的方向（圖 3）。
圖3：測向系統概述（AoA結構）
測向系統由以下元素組成：
l 發送器（AoA標簽）
l 接收器（AoA定位器）
l 角度和位置處理單元
藍牙技術采用的測向技術涉及發射器發送恒定音頻擴展 (CTE) 信號。然后，配備多個天線的接收器使用該信號來確定源的方向（圖 4）。
圖4：附加到藍牙LE數據包的CTE位
AoA機制的主要原理可以概括為幾個步驟（圖5）：
1. 標簽通過在主頻道上廣播擴展來發起通信，然后在次要頻道上定期廣播。
2. 定位器旨在檢測此擴展廣播、與標簽同步，然后捕獲包含 CTE 信號的定期廣播。
3. 定位器對 CTE 信號進行采樣，產生一組稱為 IQ 樣本的數據。
4. 這些 IQ 樣本由角度計算器處理，以確定標簽和定位器之間的角度。
5. 知道標簽和多個定位器之間的角度后，系統可以對標簽的位置進行三角測量，從而在無連接 AoA 模式下實現精確的位置跟蹤。
圖5：AoA測向系統的數據流
當發射器發射信號時，它以光速在三維空間中從發射器向外傳播。其路徑描繪的是一個不斷膨脹的球體。
為了簡化計算到達角或出發角的思路，讓我們只考慮二維，即在二維笛卡爾平面上。這種情況目前在資產跟蹤應用中最為常見，因為與物體高度相對應的第三個坐標并不重要（圖 6）。
圖 6：到達角原理
通過測量兩個接收天線之間的相位差 (Ψ 2 - Ψ 1)，假設它們之間的距離 (d) 和信號波長 (λ) 已知，則可以使用基本三角學計算信號的角度。
I/Q 解調是現代無線電接收器中的關鍵步驟。它涉及從接收到的原始 CTE 信號中提取 I 和 Q 數據分量。也就是說，RF 輸入乘以復數相量（I 和 Q 分量），然后進行濾波和降采樣以產生 IQ 數據流（圖 7）。
圖7：左側為IQ坐標圖，右邊是通過4天線陣列測量的IQ平面可視化標簽位置
以下是典型的工作流程（圖8）：
l 下變頻：I/Q數據乘以載波頻率或載波頻率附近的復相量（正弦和余弦對）。此操作將信號向下移動到較低的中頻（IF）。
l 低通濾波：下變頻后，低通濾波器去除不需要的高頻成分，只留下基帶信號。
l 抽取：對濾波后的信號進行下采樣，以降低數據速率，同時保留基本信息。
圖8：藍牙設備射頻前端的IQ數據解調
設計注意事項和行業限制
在輸出端提供第三個笛卡爾坐標的更精確的定位系統中，需要計算至少兩個角度來顯示發射器和接收器在三維空間中的關系（三角測量）。要獲得第二個角度，需要第二個 AoA 定位器。這兩個角度稱為方位角和仰角。
另一種方法不需要測量任何角度，稱為三邊測量法。它通常使用飛行時間 (ToF) 測量距離來實現，為此使用信道探測 (藍牙 5.4) 或其超寬帶 (UWB) 技術。
隨藍牙核心規范 5.4 版發布的信道探測 (CS)，在藍牙術語中也稱為高精度距離測量 (HADM)，可視為基于 RSSI 的距離測量的高精度替代方案。借助 CS，已經使用低功耗藍牙的應用程序，無需額外硬件成本即可獲得更高的精度。
安森美的RSL15 AoA解決方案
安森美開發的RSL15 5.2微控制器可以通過AoA方法提供可靠的資產跟蹤。該項目由兩個獨立的部分組成：
l 監聽器：ble_Scanner_DF_定位板上運行的多個應用程序。
l 廣播器：在標簽板上運行的ble_Advertiser_DF應用程序。
監聽器和廣播器的無線核心是安森美的RSL15 5.2系統芯片。或者，基于相同安森美產品的更集成的解決方案是Murata的System in Package 2EG設備（圖9）。
監聽器項目負責接收廣播標簽發送的CTE信號，從中獲得IQ樣本。
這些樣本被發送到PC或云上運行的應用程序，以計算監聽器和廣播器之間的角度。最后，將計算出的角度轉換為笛卡爾坐標，并映射到二維或三維。
圖9：從藍牙LE標簽到實時位置數據的完整端到端解決方案
上述兩個應用程序的示例代碼都可以在安森美 CMSIS包中免費獲得，該包可以從安森美網站下載（圖10）。
圖10：連接和無連接模式的安森美代碼示例
每個人都可以下載并使用安森美功率估算器工具來驗證使用哪些通信參數和方案，并最大限度地延長電池壽命。這為預期的系統性能和限制提供了寶貴的理論參考（圖11）。
圖11:安森美電池壽命估算器和測向指標
CoreHW設計并提供多種尺寸的天線陣列板，可實現厘米級的卓越定位精度。這些可立即投入生產的天線板的頻率范圍為 2400-2483 MHz，最多有 16 個單端天線端口（圖 12）。
圖12: 安森美 RSL15 EVB 位于 coreHW 定位器內部
天線包含用于天線選擇的CHW1010 SP16T藍牙AoA和AoD天線開關，以及用于射頻和數字控制信號的連接器，以便于連接BLE SoC控制板（圖13）。
圖13：核心硬件天線陣列
Unikie 的低功耗藍牙定位引擎專為實時跟蹤低功耗藍牙標簽而設計。生成的數據可以在邊緣服務器或云端處理，確保靈活性和成本效益（圖 14）。此外，該引擎的 API 有助于與企業系統無縫集成，支持復雜的數據建模。這使得人們能夠更深入地了解物料流轉、利用率和行為模式，標志著基于位置的服務和資產管理取得了顯著進展。
圖14：Unikie的定位應用軟件引擎
結論 – RSL15 解決方案如何幫助解決行業挑戰？該解決方案有何不同？
成功采用藍牙測向技術的關鍵先決條件仍然是標簽設備的使用壽命和成本。在安森美，我們將藍牙 SoC 視為朝著這一目標邁出的一大步，我們始終專注于以合理的成本向市場提供一流的超低功耗無線技術。
我們共同致力于分享有關此類系統實施的知識，使我們的客戶更輕松地進行開發，并幫助消除人們與這項變革性技術之間的差距，以便在日常生活中充分利用該技術。
參考文獻
1) 藍牙核心規范 5.1 核心規范 | Bluetooth?技術網站
2) 藍牙低功耗到達角定位解決方案 – 標簽、接收器、天線、固件、應用軟件 Bluetooth?技術網站
3) AND90234 - 開發定位系統 (onsemi.cn)
5) CHW1010-ANT1_Product_Brief_v1.5.pdf (corehw.com)
7) 藍牙通道探測 - 邁向10 厘米測距精度的安全訪問、數字密鑰和鄰近藍牙服務| Bluetooth?技術網站
8) AoA 和 AoD 如何改變藍牙定位服務的方向 | Bluetooth?技術網站
9) onsemi。“使用物聯網資產跟蹤技術實現個人安全應用和社交距離”2021 年 8 月 - 第 1 版
10) 4 Martin Woolley，“藍牙測向，技術概述”，2021 年 2 月 22 日
