藍牙邁向10公分精準測距　通道探測技術即將現身(1)

藍牙堆疊暨軟體解決方案供應商Packetcraft和比利時微電子研究中心(imec)攜手合作，共同開發全新藍牙定位服務解決方案。雙方為市場帶來各自的軟體專業技術，彼此相輔相成，目前已有三家藍牙晶片業者取得授權，將通道探測演算法導入其平台。

通道探測(Channel Sounding)是即將問世的新功能，一旦確立並採用，將能比現行的測距技術，更準確地估計兩個低功耗藍牙(LE)裝置之間的距離。現行技術包括到達角(AoA)和接收訊號強度指標(RSSI)等尋向(Direction Finding)解決方案。

10~30公分的藍牙測距精度是否近在咫尺？本文將根據藍牙通道探測已公開的草稿版規範，深入探討其中的技術細節，以及通道探測將徹底顛覆和帶來的應用。

藍牙定位服務新擴展

即時定位服務(RTLS)、門禁控制、數位(汽車)鑰匙、室內尋路(Indoor Wayfinding)和近端裝置搜尋(Proximity Detection)等應用有何共通點？答案就是它們都依賴精確的裝置定位或追蹤能力。在此領域，藍牙技術長期具有其優勢，不僅成本低、節能省電，還具有成熟的生態系。基本上，每個人幾乎隨時身上都至少有一個藍牙收發器。

短時間內，此種情況不會有太大改變。事實上，最近一項市場研究預測，藍牙定位服務市場未來幾年將大幅成長，主要原因在於大眾對安全免鑰匙的建築和車輛系統、室內定位、資產追蹤和近端裝置搜尋等服務的興趣增加；技術發展也是推力之一，透過進一步提高藍牙距離測量的準確性，催生出新的使用情境。

通道探測先前稱為高精度距離測量(High-accuracy Distance Measurement, HADM)，正是創新藍牙技術中的最新一項，讓藍牙距離測量功能獲得巨大飛躍。本文將介紹通道探測運作原理，以及將其應用於藍牙系統架構的方法和部分標準確立前(Pre-standard)效能表現。

各種藍牙距離測量技術比較

首先，讓我們先來看看早期技術的優點和限制。

接收訊號強度指標(RSSI)

RSSI是最早的無線電距離測量(測距)方法，其基本原理很簡單：根據兩個無線裝置之間的訊號(更具體地來說是其振幅)在傳輸距離內衰減的程度來計算距離。RSSI可顯示出兩個無線電收發器之間的距離，雖然用的是粗略的估計，但此技術相當成熟，也適用於所有智慧型手機。

然而，由於RSSI容易受到吸收和繞射等外部因素干擾，基本的測量精度相對較低，約為數公尺，通常為三到五公尺，具體精度主要取決於環境。光是將裝置握在手中，就可以產生很大的影響。

透過使用數個微定位訊號發射器(Beacon)，並將無線射頻環境特徵化，有助於提高RSSI的精度，並可估計裝置在空間中的位置。儘管如此，部分應用如智慧電子鎖仍可能需要更高的準確性和安全性。

到達角和接收角

藍牙於v5.1核心規範首次導入了到達角(Angle of Arrival, AoA)和接收角(Angle of Departure, AoD)藍牙尋向方法，相較於RSSI，在測距精度上首度取得了重大進展。不過，這兩種技術都不是直接測量距離，而是分別估計傳入和傳出的無線電訊號角度，接著以三角學來計算距離。

此類解決方案需要多個天線才能發揮作用。到達角(AoA)仰賴接收器中的天線陣列，來獲取訊號連續到達天線時的相位偏移(Phase Shift)，以計算傳入訊號的角度；而在接收角(AoD)方法中，接收器具有單一天線，發射器具有多個天線，接收器將單一天線的測量結果歸因於發射器內的特定天線，接著計算傳出訊號的角度。若以接收角方式進行定位，接收器必須知道發射器的天線陣列設計。接收角比到達角更加複雜，因此較少用於尋向實務中。

到達角和接收角都能達到次公尺級(Sub-meter)的定位準確度，但具體精度將受到實際環境影響。在室內場所中，若具有大量障礙物和反射表面，多重路徑傳播(訊號可能透過間接路由或是直接路由來抵達接收器)可能會妨礙可靠的量測。

接下來，讓我們來談談距離測量最新的技術突破：高精度的藍牙通道探測。

藍牙通道探測

到達角和接收角需要數個天線，增加了晶片的占用空間，且效能可能會在多重路徑的環境中受到影響。藍牙通道探測有別於此，導入了新方法來實現精準的距離測量，該方法稱為相位差測距(Phase-based Ranging, PBR)。

相位差測距透過分析無線電訊號的相位，來精確估算兩個無線裝置之間的距離；也就是使用相位資料來精確測量無線電訊號的飛行時間(Time of Flight)，即兩個裝置之間的距離。

為了測量相位資料，兩個裝置以協調的方式輪流發送和接收訊號，以不同頻率(通道)重複多次，解決模糊問題並提高精度，即使在室內等存在反射(多重路徑)的環境中也適用。

藍牙邁向10公分精準測距　通道探測技術即將現身(1)

藍牙邁向10公分精準測距　通道探測技術即將現身(2)