自1980年代全球定位系統(GPS)開放民用以來，GPS已經成為戶外定位和資產追蹤的主流和實質上的技術標準，應用範圍涵蓋商用飛機到智慧型手機、以至於智慧型手表到火柴盒大小的GPS追蹤器等。然而，儘管存在許多嘗試，現階段仍沒有能與GPS相當的主流技術出現在室內資產追蹤和定位。藍牙測向技術現在正在改變室內資產追蹤和定位應用領域，並且極可能成為主流技術。
目前已經有許多技術試圖解決RF射頻室內定位和資產追蹤所面臨的挑戰，例如超寬頻(UWB)、Wi-Fi或藍牙接收訊號強度指示(RSSI)解決方案。雖然這些RF射頻技術可以在一定程度上解決挑戰，但它們因各自有其局限性而無法成為室內資產追蹤的理想選擇。
UWB也許是室內定位應用中最被廣泛採用的技術。眾所周知，儘管UWB可以提供公分級(Centimeter)的高精度，但它尚未成為主流技術，這使IC和模組價格居高不下，並且使該技術的應用受到限制。此外，UWB無線電的高功耗也限制了資產標籤的電池壽命，進而增加物料清單(BOM)或標籤維護成本。
Wi-Fi是另一種應用於RF射頻室內定位服務的技術。儘管Wi-Fi擁有無處不在的基礎設施優勢(尤其是在零售和商業場所)，可以為筆記型電腦、智慧型手機和其他終端提供網路存取，但是RSSI的定位卻無法實現高精度，通常僅限於5~10公尺的精度。此外，Wi-Fi主要針對高速無線數據傳輸，因此創建低成本、低功耗的Wi-Fi標籤極具挑戰。
自從導入藍牙低功耗(LE)技術，特別是蘋果(Apple)iBeacon和Google EddyStone之類的信標標準發布以來，人們已嘗試許多方式將藍牙LE應用於室內定位服務。藍牙具有成為廣泛、主流和低功耗技術的優勢，這表示可以用藍牙建構低成本的資產標籤或信標，即便使用鈕扣電池也可以輕鬆提供5至10年的電池壽命。藍牙LE也廣泛應用於智慧型手機和平板電腦，使這些裝置能夠檢測資產。
儘管已經成功大規模部署了藍牙信標的室內定位解決方案，但是信標基礎的解決方案仍然使用RSSI定位技術，並且也有與Wi-Fi RSSI解決方案類似的精度限制。當然，也需要部署藍牙基礎設施。
藍牙測向技術
藍牙測向技術是2019年1月發表的藍牙核心規格5.1新增的一部分。測向技術的目的是透過能夠檢測傳入的藍牙訊號的方向，而不是依靠簡單的發射(TX)功率和RSSI機制，來增強藍牙技術的定位能力。
測向規格的核心依賴於兩種方法，稱為到達角(AoA)和離開角(AoD)。(AoA方法，詳見圖1)。兩種方法都憑藉至少一個具備天線陣列的藍牙裝置，並且能在不同天線之間切換時接收或發送藍牙訊號。
圖1 到達角操作
使用AoA方法，下一個關鍵步驟是測量和檢測不同接收天線之間的藍牙訊號相位差(圖2)，然後根據該資訊和不同天線間的已知距離來計算到達訊號的角度。 AoA或AoD技術只在發送和接收裝置之間，提供相對的方位角和/或仰角數據，需要其他資訊來計算藍牙資產標籤的絕對X、Y和Z座標。圖3顯示了實現此計算的機制。在此範例中，接收器座標、方向是已知的，而AoA被用於從藍牙資產標籤推導出方位角和仰角數據。
圖2 不同天線的訊號相位差估算AoA
圖3 藍牙接收器的已知位置以及AoA產生的方位角和仰角資訊
還有其他方法可以計算被追蹤裝置的X、Y和Z座標，例如使用多個接收器檢測資產標籤發送的訊號，然後使用三角量測或三邊量測來計算資產位置。
擁有可用的規格和標準是一回事，準備將實際技術部署到現實應用中則是另一回事。本文將仔細研究一下藍牙測向技術的最新發展。
一個典型的室內定位解決方案至少包含三個部分(圖4)，包含被追蹤的資產、發現和追蹤資產所需的基礎設施，以及通常負責資產和/或基礎設施進階位置邏輯和管理的後端系統。
圖4 室內資產追蹤解決方案架構範例
資產是解決方案中最易解決的部分。藍牙LE技術已經成熟，藍牙無線射頻的電源效率可在鈕扣電池上運行5~10年，並且能夠以相當低的成本構建專用資產標籤。例如芯科科技(Silicon Labs)EFR32BG22 SoC的無線裝置也支援藍牙5.1標準和AoA或AoD技術，而使得這類SoC成為藍牙資產標籤的理想選擇。 藍牙LE另一個有趣的方面，是它已經被整合在許多資產中，例如可與智慧型手機連接和資料傳輸的醫療設備和電動工具。無需額外的硬體成本便可啟用這些裝置的追蹤功能。
資產追蹤基礎設施是解決方案中更複雜但必不可少的部分，它需要使用天線陣列、AoA技術和藍牙5.1相容的藍牙無線射頻。由於藍牙5.1標準在2019年1月發布，因此這些裝置仍非主流或廣泛可用的。但是，如Quuppa等這項技術的早期採用者已經具備與AoA相容的基礎設施，包括Quuppa的Q17藍牙定位器(圖5)。 藍牙也已經進入商用Wi-Fi存取點和RSSI追蹤解決方案，例如Cisco Meraki MR53(圖6)。這些解決方案採用相對較低增量成本的RF開關和天線陣列，而且可以成為支援藍牙AoA的裝置。
圖5 支援藍牙AoA技術的Quuppa Q17定位器
圖6 具備藍牙RSSI位置分析的Cisco Meraki企業級Wi-Fi存取點
基礎設施裝置供應商正在其產品中實現藍牙AoA技術。例如，Silicon Labs開發了4×4天線陣列(圖7)的藍牙5.1 AoA參考設計，能夠接收來自標籤的AoA傳輸，並可精確檢測到幾度內的方位角和仰角。
圖7 Silicon Labs天線陣列參考和EFR32BG22藍牙5.1相容SoC
所有室內位置解決方案中，最後一個至關重要的元件是負責運算和維護資產位置和狀態的位置和/或管理引擎。儘管有許多供應商採用各種技術提供不同位置引擎解決方案，但由於該技術相對較新，目前只有少數供應商支援藍牙AoA技術。
最成熟的解決方案可能是Quuppa的QPE定位引擎。QPE引擎不只提供追蹤資產的X、Y和Z座標，還可以從標籤蒐集並揭露IoT數據，並提供返饋到標籤的回饋通道，進一步實現資產追蹤和雙向數據傳輸。
挾精準/低成本優勢 藍牙測向設計
如同GPS基礎設施的開放為室外追蹤和定位方面帶來突破，藍牙測向可以使精確、價格實惠的室內資產追蹤和定位應用成為未來十年的主流解決方案。藍牙LE技術已經達到一定的成熟度，藍牙無線射頻的價格開啟將藍牙整合到一次性裝置中的商業可能性，使用典型的鈕扣電池可提供電池壽命達5至10年。
藍牙AoA基礎設施仍需要進一步開發和部署，但Quuppa等早期採用者已經為市場提供了解決方案，藍牙也已進入商用Wi-Fi基礎設施，例如思科(Cisco)Meraki裝置。晶片和軟體供應商(例如Silicon Labs)提供關鍵任務的構建模組，協助基礎設施供應商建置和部署該技術。
首款具備AoA功能的定位引擎(如Quuppa QPE)現已上市，眾多供應商推出廣泛使用的AoA解決方案也只是時間早晚的問題了。
(本文作者為Silicon Labs物聯網產品資深產品經理)