使用全新信道探測開(kāi)發(fā)套件實(shí)現亞米級的測距與定位精度

當藍牙信道探測被納入藍牙核心規范6.0的一部分時(shí)，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）提出了在大多數場(chǎng)景下實(shí)現0.5米目標測距與定位精度的要求。這一精度目標帶來(lái)了一個(gè)挑戰，因為在大多數情況下，如果不使用多個(gè)天線(xiàn)，要可靠地達到0.5米精度是很困難的，甚至是不可能的。設備與設備之間的相對方位、人體、環(huán)境中的障礙物以及多徑干擾，這些因素共同作用限制了利用藍牙信道探測進(jìn)行單天線(xiàn)測距的可靠性。

藍牙信道探測是一個(gè)雙向測距過(guò)程，發(fā)起方和反射方會(huì )依次發(fā)送和接收音調（tone）及數據包，這一事實(shí)使得上述挑戰變得更加艱巨。兩端在功能上相當對稱(chēng)，尤其是與藍牙測向（Direction Finding）技術(shù)相比時(shí)更是如此，因為藍牙測向技術(shù)在兩個(gè)端點(diǎn)之間定義了多種功能和天線(xiàn)要求方面的不對稱(chēng)性。由于藍牙信道探測具有對稱(chēng)性，因此兩個(gè)通信端點(diǎn)都必須了解彼此的天線(xiàn)功能和切換模式，以便準確采集數據、進(jìn)行分析并確定相對距離。

如同任何新功能一樣，藍牙信道探測的目標在于實(shí)現互操作性。將解決方案標準化，使其在手機與手機之間、設備與設備之間能夠“即插即用”，這為產(chǎn)品設計人員提供了他們在全球范圍內進(jìn)行產(chǎn)品部署所需的保障。要通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)實(shí)現這種“即插即用”功能，唯一的方法是將天線(xiàn)的使用方式與藍牙信道探測的其他流程一同進(jìn)行標準化。

盡管這項技術(shù)的其他方面被認為處于領(lǐng)先地位且具有開(kāi)創(chuàng )性，但對于藍牙信道探測而言，在可控范圍內實(shí)現天線(xiàn)切換的靈活標準化同樣至關(guān)重要。這一特性確保了藍牙信道探測能夠兌現其在實(shí)現穩健精度的同時(shí)最大化互操作性的承諾。

為何應該設計配備多個(gè)天線(xiàn)的產(chǎn)品

當兩個(gè)無(wú)線(xiàn)設備的天線(xiàn)調諧到同一頻率，并且其電路板之間視線(xiàn)通暢和/或具備足夠的功率以穿透環(huán)境中的所有材質(zhì)和干擾源進(jìn)行信號接收時(shí)，這兩個(gè)設備之間的通信效果最為理想。墻壁以及包括人體、地板、天花板在內的障礙物，還有其他射頻信號，都可能對兩個(gè)天線(xiàn)之間的通信能力產(chǎn)生不利影響。

此外，天線(xiàn)之間的相對朝向也可能引發(fā)問(wèn)題。在配備可移動(dòng)、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備的環(huán)境中，設備A的天線(xiàn)相對于設備B的天線(xiàn)的朝向是無(wú)法控制或預測的。不幸的是，某些朝向會(huì )產(chǎn)生與頻率相關(guān)的零值點(diǎn)，并導致信號幅度嚴重衰減。如果兩臺物聯(lián)網(wǎng)設備相互之間的擺放角度和距離恰好處于某種情況，它們將無(wú)法進(jìn)行通信。

在基于低功耗藍牙（Bluetooth LE）連接的異步連接導向邏輯（ACL）傳輸通信中，這些零值點(diǎn)往往會(huì )導致數據包重傳，甚至可能造成連接中斷。在藍牙信道探測中，其影響可能更為微妙。來(lái)自PBR測量的IQ數據會(huì )出現相位信息失真的情況，這會(huì )在距離估計算法中引入誤差。

擁有多個(gè)天線(xiàn)朝向的設備能夠從不同的天線(xiàn)朝向，針對同一信道交換基于相位的數據，這增加了獲取描述該信道的無(wú)失真IQ數據的可能性。

無(wú)失真的IQ數據能夠實(shí)現高度精確的距離估算，從而帶來(lái)更優(yōu)質(zhì)的終端解決方案。

在藍牙信道探測設計中，設計方案始終都應考慮添加第二根天線(xiàn)。正如我們的天線(xiàn)指南文檔中所顯示的，即使在外形尺寸受限的情況下，添加第二根天線(xiàn)也是可行的。EFR32xG24藍牙信道探測開(kāi)發(fā)板提供了一個(gè)基于最佳實(shí)踐的設計示例，在不到33 x 33毫米的外形尺寸下支持兩根天線(xiàn)。其外形尺寸本身比最終產(chǎn)品要大，因為藍牙信道探測開(kāi)發(fā)板在板上配備了完整的調試電路。

在下文中將會(huì )進(jìn)一步探討這款開(kāi)發(fā)板，現在來(lái)討論一下核心規范6.0究竟是如何將使用多根天線(xiàn)進(jìn)行標準化的。

信道探測天線(xiàn)切換的工作原理

在天線(xiàn)切換方面，藍牙核心規范6.0標準化了三種基本方式。

●   功能交換

●   模式2（Mode 2）基于相位的測距操作

●   IQ數據結構交換

在功能交換過(guò)程中，連接中的外圍設備會(huì )對一個(gè)請求做出響應，表明它能夠使用的天線(xiàn)最大數量，以及它能夠支持的天線(xiàn)路徑數量。天線(xiàn)路徑正如其字面意思那樣：即電路板A的天線(xiàn)與電路板B的天線(xiàn)進(jìn)行通信所經(jīng)過(guò)的路徑。由于電路板設計或內存限制，一些設備可能無(wú)法支持多個(gè)天線(xiàn)路徑。

在流程開(kāi)始之前，控制器會(huì )選擇一種配置，并將其傳達給反射方，以便雙方能相互了解天線(xiàn)路徑數量和天線(xiàn)配置情況。

在使用模式2基于相位測距的藍牙信道探測步驟中，發(fā)起方會(huì )按照反射方已知的模式，通過(guò)每個(gè)天線(xiàn)路徑在信道上發(fā)送音調信號。然后，反射方會(huì )在相同的信道上，沿著(zhù)相同的天線(xiàn)路徑順序發(fā)送音調信號。

在發(fā)起方運行的藍牙信道探測算法會(huì )保存該信道上所有特定于天線(xiàn)路徑的IQ數據，但在得出距離之前，它還需要反射方對應的IQ數據。

在從反射方向發(fā)起方返回數據的過(guò)程中（該過(guò)程通過(guò)LE ACL連接實(shí)現），IQ數據需要按照預定義的數據結構進(jìn)行傳輸。該數據結構也被定義為測距配置文件的一部分，該配置文件在核心規范更新幾個(gè)月后被采用。

Silicon Labs（芯科科技）通過(guò)運行在EFR32 xG24上的藍牙信道探測解決方案，支持上述所有功能。我們的藍牙協(xié)議棧已通過(guò)認證，符合核心規范6.0的要求，并且我們對測距配置文件的實(shí)施已具備認證條件。所有這些功能都可以使用BRD2606進(jìn)行評估。

那些只有一根天線(xiàn)的設計又如何呢？

并非所有的設計都能遵循每一項設計最佳實(shí)踐。電路板或成本方面的限制可能會(huì )迫使一項設計只能使用單根天線(xiàn)。距離估計算法的可靠性可能會(huì )降低，但即便如此，這些設備仍然符合藍牙信道探測的條件。在僅使用一條天線(xiàn)路徑的情況下運行，即設備A和設備B都僅有一條天線(xiàn)路徑，這仍然是一個(gè)可行的設計選擇。

下面的測試是在辦公室環(huán)境中進(jìn)行的，這種環(huán)境會(huì )產(chǎn)生反射和多徑干擾。測試是使用BRD2606進(jìn)行的，但每個(gè)開(kāi)發(fā)板僅使用一根天線(xiàn)，從而形成一條天線(xiàn)路徑。

在這八次測試運行中，兩塊開(kāi)發(fā)板相距11米，并且其中一塊開(kāi)發(fā)板進(jìn)行了旋轉，以使兩塊開(kāi)發(fā)板上的天線(xiàn)處于同極化或交叉極化狀態(tài)。

在這項測試中，交叉極化天線(xiàn)表現出了最佳效果，測量誤差通常在+/-2米以?xún)?。同極化天線(xiàn)的表現更差，大多數結果顯示誤差在+/-3米或更大。

請注意，這種性能仍然遠比嘗試使用RSSI來(lái)測量距離可靠得多，在藍牙信道探測被采用之前，RSSI是唯一可用的標準化距離估算方法。

如下圖所示，當啟用2606開(kāi)發(fā)板上的兩根天線(xiàn)，形成最多4條天線(xiàn)路徑時(shí)，測量結果會(huì )可靠得多，大多數測量的誤差都能很好地控制在1米以?xún)?。請注意，在這些測試中，同極化測試案例是使用兩塊處于相同水平方向的BRD2606開(kāi)發(fā)板進(jìn)行的，而交叉極化測試則是在一塊開(kāi)發(fā)板垂直放置、另一塊開(kāi)發(fā)板水平放置的情況下執行的。

至少有一個(gè)設備支持雙天線(xiàn)的設計方案

藍牙信道探測的許多應用往往遵循“定位器（Locator）”/“標簽（Tag）”模式。在這些情況下，定位器端通常是固定不動(dòng)的，且尺寸較大，但可能會(huì )面臨設備共存方面的挑戰，以及與其他天線(xiàn)在電路板空間占用上的競爭問(wèn)題。

標簽端很可能是可移動(dòng)的，其大小可能被限制到甚至比鑰匙扣的外形尺寸還要小，這使得它難以支持雙天線(xiàn)。對于這些情況，我們認為在固定的“定位器”端支持兩根或更多天線(xiàn)至少還是有些好處的。

下面的圖表展示了三組數據集，這些數據是通過(guò)旋轉一塊僅激活單根天線(xiàn)的BRD2606開(kāi)發(fā)板收集而來(lái)的，該開(kāi)發(fā)板與另一塊激活了兩根天線(xiàn)的2606開(kāi)發(fā)板相距10米。在一塊開(kāi)發(fā)板旋轉時(shí)所估算的大多數距離中，我們看到誤差約在+/- 1米左右，但也存在一些明顯的異常值。

雖然這看起來(lái)可能令人擔憂(yōu)，但重要的是，對于特定的應用，始終要考慮達到何種程度的可靠性和準確性才算足夠好。例如，用于在倉庫空間內追蹤一個(gè)面積為2-4平方米智能貨盤(pán)的追蹤器，可能不需要與汽車(chē)的無(wú)鑰匙進(jìn)入和無(wú)鑰匙啟動(dòng)應用相同級別的精度。

通過(guò)啟用第二塊開(kāi)發(fā)板上的第二根天線(xiàn)，形成四條天線(xiàn)路徑，可使性能得到以下的顯著(zhù)提升，三次測試運行的所有結果的精度都在0.5米以?xún)取?/p>

那為什么不始終使用四條天線(xiàn)路徑？

如上述結果和其他測試所示，無(wú)論開(kāi)發(fā)板的擺放方向和環(huán)境狀況如何，四條天線(xiàn)路徑都能更可靠地提供準確的數據。

然而在某些情況下，使用四條天線(xiàn)路徑是不可行的。如前一部分所述，電路板的限制因素可能會(huì )限制設計方案所能使用的天線(xiàn)數量。其他因素包括對能耗和更新速率的限制，或者對RF信號占空時(shí)間的考量。

使用多根天線(xiàn)會(huì )增加在信道探測的所有三個(gè)階段所花費的時(shí)間：

●   在PBR測距過(guò)程中，隨著(zhù)更多天線(xiàn)路徑被啟用，多天線(xiàn)支持會(huì )增加每個(gè)步驟的持續時(shí)間。

●   在將IQ數據從反射方傳輸到主機的過(guò)程中，多條天線(xiàn)路徑的IQ數據會(huì )增大通過(guò)LE ACL傳輸的數據結構的大小。

●   在處理過(guò)程中，由多條天線(xiàn)路徑生成的數據會(huì )導致距離估算算法的執行時(shí)間呈指數增長(cháng)。

下表顯示了更新速率以及距離估算算法（SiSDK中的24Q4-GA）的執行時(shí)間，這些數據是所使用天線(xiàn)數量的函數。我們還改變了信道間隔設置，使其在1 MHz間隔（72個(gè)信道）和2 MHz間隔（37個(gè)信道）之間變化，以便展示除了天線(xiàn)數量之外，其他因素是如何對更新速率和處理時(shí)間產(chǎn)生顯著(zhù)影響的。

BRD2606藍牙信道探測評估平臺簡(jiǎn)介

本文中的所有測試均使用BRD2606藍牙信道探測開(kāi)發(fā)套件來(lái)完成，因為它是一個(gè)功能極為多樣的藍牙信道探測評估平臺。同時(shí)還考慮以下關(guān)鍵特性：

●   實(shí)施雙天線(xiàn)支持的最佳實(shí)踐，遵循所有已發(fā)布的指南。

●   可選擇使用紐扣電池供電。

●   小封裝適合用于原型設計，并且便于在空間受限的環(huán)境中進(jìn)行安裝。

●   通過(guò)板載電路提供板載調試和終端輸出功能。

這些開(kāi)發(fā)板特性，再加上芯科科技符合SIG標準、支持藍牙信道探測功能的6.0協(xié)議棧，具備量產(chǎn)品質(zhì)的發(fā)起端和反射端示例應用，諸如天線(xiàn)啟用等高度可配置的性能特性，以及Simplicity Studio的藍牙信道探測分析器GUI，芯科科技的開(kāi)發(fā)人員以及客戶(hù)便都擁有了同樣強大可靠的平臺，可用于實(shí)現廣泛的評估。

我們將BRD2606設計成類(lèi)似鑰匙扣的外形規格，但這種設計同樣適用于資產(chǎn)追蹤的應用場(chǎng)景。對于任何具備低功耗藍牙功能且能從某種形式的定位感知中受益的系統而言，藍牙信道探測都是一項極具吸引力的增值功能。借助這塊小巧的開(kāi)發(fā)板，我們期待看到開(kāi)發(fā)人員能夠發(fā)掘出藍牙信道探測的創(chuàng )新應用，甚至是超出藍牙技術(shù)聯(lián)盟目前所強調的應用場(chǎng)景范疇的新應用。

開(kāi)始您的藍牙信道探測應用之旅

芯科科技期待在未來(lái)的開(kāi)發(fā)周期中為我們的信道探測解決方案推出新功能并加以改進(jìn)。在此過(guò)程中，我們會(huì )對性能進(jìn)行優(yōu)化調整，通過(guò)優(yōu)化射頻信號空中傳輸時(shí)間和算法執行時(shí)間來(lái)最大限度地降低電流消耗，同時(shí)提升準確性和穩定性。