藍牙邁向10公分精準測距　通道探測技術即將現身(2)

通道探測如何應用於藍牙系統架構

(承前文)通道探測藉由在72個實體通道上使用振幅偏移調變(Amplitude-shift Keying Modulation)的新實體層(圖1)，於藍牙系統中導入硬體變更。通道探測無線電運作與2.4GHz頻段的低功耗藍牙無線電運作(如廣告、掃描和資料通訊)協調，進行分時多工。

仔細觀察低功耗藍牙堆疊就會發現，大部分通道探測功能皆位於鏈路層。鏈路層是RF/PHY層之上的MAC層協定，負責處理廣告、掃描、連接管理、非同步和同步資料通訊以及資料加密的程序。以藍牙通道探測來說，鏈路層將負責：

• 協商並設定兩個裝置之間的通道探測程序。
• 調度通道探測無線電運作。
• 配置RF/PHY層，在每次無線電運作期間執行必要的Tone Exchange。
• 管理通道探測安全程序。

通道探測程序包含了一系列名為通道探測事件(Channel Sounding Event)的無線電運作。通道探測事件期間，兩個裝置交換用於測量距離的資訊，包含用於估算距離的Tone，以及具有與通道探測程序相關資料的封包。

通道探測事件由子事件(Subevent)組成，每個子事件包含數個通道探測步驟(Step)。通道探測步驟是裝置之間一連串緊密同步的Tone傳輸。將通道探測程序劃分為事件和子事件，可在調度通道探測無線電活動時，達到最大彈性，因此可以與其他時間敏感型藍牙通訊實現最佳共存(圖2)。

在兩個執行通道探測程序的裝置之間，高階通訊序列始於低功耗藍牙連接的建立。接著，裝置將交換通道探測功能，並針對配置進行協商。通道探測安全啟動後，便可開始進行通道探測程序。

各個通道探測子事件之後，裝置交換測量結果(圖3)。此操作不斷重複，直到通道探測程序經過所有必要的實體通道(整個頻段上最多72個通道)，隨後通道探測程序便會終止。最後，來自鏈路層的量測結果將發送至裝置上通常使用距離估計演算法來計算距離的應用程式。

通道探測並未指定使用哪種演算法來從量測資料計算距離，因此各業者能夠根據不同的使用情境設計產品，依照特定使用案例所需的測量精度和預期的無線電環境來調整運算複雜性，從簡單的相位差計算和基於快速傅立葉變換(FFT)的方法，到用於應對嚴重多重路徑情境(室內環境)的先進超高解析度演算法^[1]均適用(圖4)。

通道探測是否將淘汰其他測距方案？

藍牙通道探測具備前所未有的準確性和安全性，使其成為門禁控管、室內尋路和資產追蹤等各種應用的不二選擇。

目前，唯有結合超寬頻(UWB)脈衝無線電與飛時測距(ToF)測量，才能提供公分至次公分(Sub-cm)等級的更高精度。藍牙技術具有廣泛的產業生態系統，每年裝置出貨量超過50億台，意味著諸多裝置和感測器可快速利用藍牙通道探測所提供的新功能，而UWB則是必須額外新增至裝置的晶片組，使得成本增加，也更需要管理來自其他無線電的干擾。此外，儘管UWB的功耗經過共同研究的努力而逐漸降低，卻仍高於藍牙技術。綜合上述考量，唯有當應用的要求超出藍牙通道探測的能力範圍時，使用UWB才是合理之舉。

另一方面，追求讓競爭技術望塵莫及、具有決定性地位的定位技術也許幫助不大；反之，現在似乎正朝向混合式配置發展，各種解決方案都占有一席之地。我們可在單一晶片或產品中，整合多種測距方法，每種測距方法適用於不同情境，可視情況應用最適合的選項。例如，可先以RSSI進行粗略的距離估計，接著再採用更可提供精確結果的技術。或者，也可能出現採用角度與距離測量(Joint Angle and Distance Estimation, JADE)並結合到達角與通道探測的解決方案，提供測距和角度資訊。

藍牙通道探測技術即將獲得批准，象徵無線電定位技術新時代的濫觴。隨著在現實環境中的測距精度日益接近10公分等級，現在能夠依照此技術趨勢，預測未來可能實現或有所改善的應用。接下來，創新者無疑將運用定位新能力，打造出超乎想像的全新應用，帶來終將普及的新產品服務。

(本文作者Jason Hillyard任職於Packetcraft；Christian Bachmann、Li Huang任職於imec；文章由藍牙技術聯盟提供)

參考資料

[1] https://www.researchgate.net/publication/342582681_Performance_of_High-Accuracy_Phase-Based_Ranging_in_Multipath_Environments

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)