藍牙通道探測(Channel Sounding)是藍牙6.0核心規範新增功能，能精確、安全地測量設備間距離，廣泛應用於智慧門鎖、家電近距感應及標籤定位，並有助於資產追蹤市場的成長。
低功耗藍牙已成為普遍且可靠的技術，除了廣泛應用於醫療保健、消費性電子、音訊、工業和眾多其他應用領域之外，還成為了電子設備定位解決方案的基礎，因為這種短距離無線技術可用於檢測和報告附近是否有其他設備存在，還可以估算設備之間的距離，並運算可以找到另一個設備的方向。
最近更新的藍牙核心規範(藍牙6.0詳細版本)增加了一項新的距離測量功能，稱為藍牙通道探測(Bluetooth Channel Sounding)。這項技術可在兩台藍牙設備之間實現安全的精細測距，並有望實現許多創新的無線近接感測和測距應用。此外，預計通道探測技術將會廣泛應用於手機和其他各種電池供電的低功耗藍牙產品，提供標準化和互通性。
本文將解釋甚麼是通道探測，以及開發人員如何使用廠商推出的晶片和開發工具來建置新的測距應用。
通道探測技術發展已久
低功耗藍牙規範早已包含設備定位和位置服務技術。例如，在低功耗藍牙規範首次發布時，Find Me Profile已經成為藍牙4.0核心規範的一部分。
其後，信標成為了流行的低功耗藍牙應用，藍牙規範中稱為「發射功率」的數值提供了距離信標或其他發射設備一公尺時的參考功率水準。射頻訊號的衰減大約與發射器距離的平方成反比。因此，在知道發射功率數值的情況下，所測量的接收訊號強度指示器(RSSI)可用作信標或其他發射器與接收器之間距離的粗略估算，包括接近、連接或超出範圍。
隨後在2019年，藍牙5.1導入了藍牙方向查找(Bluetooth Direction Finding)功能。該技術使應用程式能夠利用低功耗藍牙控制器進行相位測量，準確計算接收訊號的方向。這項技術定義了兩種方法，即到達角(AoA)和離開角(AoD)。
基於幾個主要原因，現在，通道探測為測距應用提供了簡單可靠的解決方案。首先，它具有標準化和互通性。其次，它可由非常簡單的設備提供支援，也可作為更先進產品的附加元件，無需額外的硬體成本，軟體占用空間極小。第三，功耗與借助低功耗藍牙進行普通資料傳輸一樣低。最後，通道探測支援針對精度、延遲、安全性和功耗的各種硬體和軟體配置選項。
藍牙通道探測規範定義了無線電(PHY)的新特性、控制器的特性、安全措施以及收集原始測量資料所需的步驟程式。不過，使用專用演算法將原始資料轉換成距離測量結果的過程是在應用層面上進行的，而不在規範的範圍之內。測量和演算法的配置可以進行調整，以平衡應用所需的精度、延遲、安全性和功耗。
通道探測的背後技術非常複雜，但都建立在相位測距(PBR)或往返計時(RTT)的基礎上。相位測距使用啟動器和反射器進行距離測量。啟動器發送已知頻率的訊號，然後由反射器返回，測量出發射訊號和接收訊號之間的相位差，然後使用不同頻率的訊號重複此一過程。有了相位差和頻率差的資料，便可以憑藉專用演算法來計算出啟動器和反射器之間的距離(圖1)。PBR借助啟動器設備發送，並由反射器設備返回之訊號的相位偏移，涵蓋多個頻率。採用專用演算法進行原始資料到距離的轉換，並在應用層面上執行。
圖1 可以使用兩個不同頻率的訊號之間的相位差來確定啟動器和反射器之間的距離
往返計時的工作原理是測量資料包在啟動器和反射器之間往返所需的時間，然後將往返時間乘以光速(C)，最後除以二。從整個飛行時間中減去已知的時間量，以計算反射器接收和重新傳輸資料包所需的時間(圖2)。RTT技術則基於無線電資料封包在啟動器和反射器之間來回傳輸所需的時間。RTT是安全的距離界限技術，用於交叉檢查PBR，計算距離的演算法比PBR更簡單。
圖2 可以使用無線電資料封包在啟動器和反射器之間的飛行時間來確定設備之間的距離
推動全新應用
與所有的低功耗藍牙增強功能一樣，通道探測技術將催生許多令人難以想像的應用，可以想到的幾個示例如下。其中一個是改良的標籤。如今的標籤解決方案效果很好，但當標籤啟動時發出的振動或聲音有可能會被沙發墊或毯子掩蓋。通道探測技術可實現遠距離準確的「冷熱」近接警報，以克服聲音或振動警報的局限性。
另一個將受益於通道探測技術的應用是智慧門鎖，通道探測將會改進啟動智慧門鎖的人員存在檢測，智慧門鎖將受益於保護功能，以防止中間人攻擊和中繼攻擊。此外，家用電器也會因該技術而增強。臨場感應或距離情景化還將大幅改善使用者體驗。例如，在連接多台設備時，通道探測技術提供的實體環境資訊非常有用，同時還能輔助安全功能，例如只有當使用者靠近設備時才能啟動控制功能。
低功耗藍牙已廣泛應用於資產追蹤定位服務。然而，通道探測將為此類應用帶來更高的精確度、可靠性和便利性，同時不會顯著增加現有解決方案的複雜性和成本。
實現通道探測
藍牙通道探測為採用PBR和RTT的近接感測和測距應用提供了良好的基礎，但也有專有的替代方案。廠商如Nordic的Nordic Distance Toolbox(NDT)提供借助PBR和RTT的高階距離測量和近接感測功能，適合在藍牙生態系統之外需要這些功能、或者希望在選定的Nordic nRF52和nRF53系列SoC上實現相關應用的開發人員。據悉，Nordic第四代無線SoC產品nRF54L和nRF54H系列將支援藍牙6.0和通道探測。
nRF Connect SDK配套軟體庫包含了演算法，可精準確定兩個支援NDT設備之間的距離，與僅基於接收訊號強度指示器RSSI的解決方案相比，可顯著提高準確性。nRF Connect SDK中的一個範例演示了NDT功能。
在2023年，光是資產追蹤市場的產值就達到了212.5億美元。根據《財富商業洞察》的預測顯示，到2032年，該市場將成長至596.4億美元。先進的測距和近接感測功能還將支援許多其他應用。隨著藍牙通道探測技術的出現，這項全新工具，有助於開發人員為資產追蹤和安全監測等市場開闢成功的應用。
(本文由Nordic Semiconductor提供)