實現亞米級測距/定位精度　藍牙通道探測開發平台有一套

當藍牙通道探測(Channel Sounding)被納入藍牙核心規範6.0的一部分時，藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)提出了在大多數場景下實現0.5公尺目標測距與定位精準度的要求。此一精準度目標帶來了一大挑戰，因為在大多數情況下，如果不使用多個天線，要可靠地達到0.5公尺精度是很困難的，甚至是不可能的。設備與設備之間的相對方位、人體、環境中的障礙物以及多路徑干擾，這些因素共同作用限制了利用藍牙通道探測進行單天線測距的可靠性。

藍牙通道探測是一個雙向測距過程，發起方和反射方會依次發送和接收音調(Tone)及資料包，這使得上述挑戰變得更加艱鉅。兩端在功能上相當對稱，尤其是與藍牙測向(Direction Finding)技術相比時更是如此，因為藍牙測向技術在兩個端點之間定義了多種功能和天線要求方面的不對稱性。由於藍牙通道探測具有對稱性，因此兩個通訊端點都必須瞭解彼此的天線功能和切換模式，以便準確採集資料、進行分析並確定相對距離。

如同任何新功能一樣，藍牙通道探測的目標在於實現互通性。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隨插即用，這為產品設計人員提供了他們在全球進行產品部署所需的保障。要透過多個天線實現這種隨插即用功能，唯一的方法是將天線的使用方式與藍牙通道探測的其他流程一同進行標準化。

儘管這項技術的其他方面被認為處於領先地位且具有開創性，但對於藍牙通道探測而言，在可控範圍內實現天線切換的靈活標準化同樣至關重要。此特性確保了藍牙通道探測能夠兌現其在實現穩健精準度的同時最大化互通性的承諾。

設計配備多天線產品
當兩個無線設備的天線調諧到同一頻率，並且其電路板之間視線通暢和/或具備足夠的功率以穿透環境中的所有材質和干擾源進行訊號接收時，這兩個設備之間的通訊效果最為理想。牆壁以及包括人體、地板、天花板在內的障礙物，還有其他射頻訊號，都可能對兩個天線之間的通訊能力產生不利影響。

此外，天線之間的相對朝向也可能引發問題。在配備可移動、電池供電的物聯網(IoT)設備的環境中，設備A的天線相對於設備B天線的朝向是無法控制或預測的。不幸的是，某些朝向會產生與頻率相關的零值點，並導致訊號幅度嚴重衰減。如果兩台物聯網設備相互之間的擺放角度和距離恰好處於某種情況，它們將無法進行通訊。

在基於低功耗藍牙(Bluetooth LE)連接的非同步連接導向邏輯(ACL)傳輸通訊中，這些零值點往往會導致資料包重傳，甚至可能造成連接中斷。在藍牙通道探測中，其影響可能更為微妙。來自相位測距(PBR)測量的IQ資料會出現相位資訊失真的情況，這會在距離估計演算法中導入誤差。

擁有多個天線朝向的設備能夠從不同的天線朝向，針對同一通道交換基於相位的資料，這增加了獲取描述該通道的無失真IQ資料的可能性。無失真的IQ資料能夠實現高度精確的距離估算，以帶來更優質的終端解決方案。

在藍牙通道探測設計中，設計方案始終都應考慮添加第二根天線。正如天線指南文檔中所顯示的，即使在外形尺寸受限的情況下，添加第二根天線也是可行的。其外形尺寸本身比最終產品要大，因為藍牙通道探測開發板在板上配備了完整的調試電路。

在下文中將會進一步探討這款開發板，現在來討論一下核心規範6.0究竟是如何將使用多根天線進行標準化的。

通道探測天線切換工作原理
在天線切換方面，藍牙核心規範6.0標準化了三種基本方式。

• 功能交換
• 模式2(Mode 2)基於相位的測距操作
• IQ資料結構交換

在功能交換過程中，連接中的週邊設備會對一個請求做出回應，表明它能夠使用的天線最大數量，以及它能夠支援的天線路徑數量。天線路徑正如其字面意思，即電路板A的天線與電路板B的天線進行通訊所經過的路徑。由於電路板設計或記憶體限制，一些設備可能無法支援多個天線路徑。
在流程開始之前，控制器會選擇一種配置，並將其傳達給反射方，以便雙方能相互瞭解天線路徑數量和天線配置情況。

在使用模式2基於相位測距的藍牙通道探測步驟中，發起方會按照反射方已知的模式，透過每個天線路徑在通道上發送音調訊號。然後，反射方會在相同的通道上，沿著相同的天線路徑順序發送音調訊號。

在發起方運行的藍牙通道探測演算法會保存該通道上所有特定於天線路徑的IQ資料，但在得出距離之前，它還需要反射方對應的IQ資料。

在從反射方向發起方返回資料的過程中(該過程透過LE ACL連接實現)，IQ資料需要按照預定義的資料結構進行傳輸。該資料結構也被定義為測距設定檔的一部分，該設定檔在核心規範更新幾個月後被採用。

單天線設計架構
並非所有的設計都能遵循每一項設計最佳實踐。電路板或成本方面的限制可能會迫使一項設計只能使用單根天線。距離估計演算法的可靠性可能會降低，但即便如此，這些設備仍然符合藍牙通道探測的條件。在僅使用單天線路徑的情況下運行，即設備A和設備B都僅有一條天線路徑，這仍然是一個可行的設計選擇。

下面的測試是在辦公室環境中進行的，這種環境會產生反射和多徑干擾。測試是使用BRD2606進行的，但每個開發板僅使用一根天線，而形成一條天線路徑。

在這八次測試運行中，兩塊開發板相距11公尺，並且其中一塊開發板進行了旋轉，以使兩塊開發板上的天線處於同極化或交叉極化狀態。

在這項測試中，交叉極化天線表現出了最佳效果，測量誤差通常在+/-2公尺以內。同極化天線的表現更差，大多數結果顯示誤差在+/-3公尺或更大(圖1)。

請注意，這種性能仍然遠比嘗試使用RSSI來測量距離可靠得多，在藍牙通道探測被採用之前，RSSI是唯一可用的標準化距離估算方法。

如圖2所示，當啟用BRD2606開發板上的兩根天線，形成最多四條天線路徑時，測量結果會可靠得多，大多數測量的誤差都能控制在1公尺以內。請注意，在這些測試中，同極化測試案例是使用兩塊處於相同水準方向的BRD2606開發板進行的，而交叉極化測試則是在一塊開發板垂直放置、另一塊開發板水平放置的情況下執行的。

至少有一設備支援雙天線的設計
藍牙通道探測的許多應用往往遵循定位器(Locator)/標籤(Tag)模式。在這些情況下，定位器端通常是固定不動的，且尺寸較大，但可能會面臨設備共存方面的挑戰，以及與其他天線在電路板空間占用上的競爭問題。

標籤端很可能是可移動的，其大小可能被限制到甚至比鑰匙扣的外形尺寸還要小，這使得它難以支援雙天線。對於這些情況，我們認為在固定的定位器端支援兩根或更多天線至少還是有些好處的。

圖3展示了三組資料集，這些資料是透過旋轉一塊僅啟動單根天線的BRD2606開發板收集而來的，該開發板與另一塊啟動了兩根天線的BRD2606開發板相距10公尺。在一塊開發板旋轉時所估算的大多數距離中，誤差約在+/-1公尺左右，但也存在一些明顯的異常值。

雖然這看起來可能令人擔憂，但重要的是，對於特定的應用，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，用於在倉庫空間內追蹤一個面積為2~4平方公尺智慧貨盤的追蹤器，可能不需要與汽車的無鑰匙進入和無鑰匙啟動應用相同級別的精度。

透過啟用第二塊開發板上的第二根天線，形成四條天線路徑，可使性能得到以下的顯著提升，三次測試運行的所有結果的精度都在0.5公尺以內(圖4)。

無法常用四條天線路徑考量
如上述結果和其他測試所示，無論開發板的擺放方向和環境狀況如何，四條天線路徑都能更可靠地提供準確的資料。
然而在某些情況下，使用四條天線路徑是不可行的。如前一部分所述，電路板的限制因素可能會限制設計方案所能使用的天線數量。其他因素包括對能耗和更新速率的限制，或者對RF訊號工作時間的考量。

使用多根天線會增加在通道探測的所有三個階段所花費的時間：

• 在PBR測距過程中，隨著更多天線路徑被啟用，多天線支援會增加每個步驟的持續時間。
• 在將IQ資料從反射方傳輸到主機的過程中，多條天線路徑的IQ資料會增大通過LE ACL傳輸的資料結構的大小。
• 在處理過程中，由多條天線路徑生成的資料會導致距離估算演算法的執行時間呈指數成長。

表1顯示了更新速率以及距離估算演算法(SiSDK中的24Q4-GA)的執行時間，這些資料是所使用天線數量的函數。透過改變通道間隔設置，使其在1MHz間隔(72個通道)和2MHz間隔(37個通道)之間變化，以便展示除了天線數量之外，其他因素是如何對更新速率和處理時間產生顯著影響的。

藍牙通道探測評估平台
本文中的所有測試均使用BRD2606藍牙通道探測開發套件來完成，其技術特性包括：

• 實施雙天線支援的最佳實踐，遵循所有已發布的指南。
• 可選擇使用紐扣電池供電。
• 小封裝適合用於原型設計，並且便於在空間受限的環境中進行安裝。
• 透過板載電路提供板載調試和終端輸出功能。

這些開發板特性，再加上芯科科技符合SIG標準、支援藍牙通道探測功能的6.0協定棧，具備量產品質的發起端和反射端示例應用，諸如天線啟用等高度可配置的性能特性，以及Simplicity Studio的藍牙通道探測分析器GUI，可用於實現廣泛的評估。

BRD2606設計為類似鑰匙扣的外形規格，但這種設計同樣適用於資產追蹤的應用場景。對於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，藍牙通道探測都是一項極具吸引力的增值功能。借助該開發板，期待看到開發人員能夠發掘出藍牙通道探測的創新應用，甚至是超出藍牙技術聯盟目前所強調的應用場景範疇的新應用。
(本文作者為芯科科技Silicon Labs藍牙資深產品經理)