使用全新信道探測開發(fā)套件實(shí)現(xiàn)亞米級的測距與定位精度

當(dāng)藍(lán)牙信道探測被納入藍(lán)牙核心規(guī)范6.0的一部分時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）提出了在大多數(shù)場景下實(shí)現(xiàn)0.5米目標(biāo)測距與定位精度的要求。這一精度目標(biāo)帶來了一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，如果不使用多個(gè)天線，要可靠地達(dá)到0.5米精度是很困難的，甚至是不可能的。設(shè)備與設(shè)備之間的相對方位、人體、環(huán)境中的障礙物以及多徑干擾，這些因素共同作用限制了利用藍(lán)牙信道探測進(jìn)行單天線測距的可靠性。

藍(lán)牙信道探測是一個(gè)雙向測距過程，發(fā)起方和反射方會依次發(fā)送和接收音調(diào)（tone）及數(shù)據(jù)包，這一事實(shí)使得上述挑戰(zhàn)變得更加艱巨。兩端在功能上相當(dāng)對稱，尤其是與藍(lán)牙測向（Direction Finding）技術(shù)相比時(shí)更是如此，因?yàn)樗{(lán)牙測向技術(shù)在兩個(gè)端點(diǎn)之間定義了多種功能和天線要求方面的不對稱性。由于藍(lán)牙信道探測具有對稱性，因此兩個(gè)通信端點(diǎn)都必須了解彼此的天線功能和切換模式，以便準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)、進(jìn)行分析并確定相對距離。

如同任何新功能一樣，藍(lán)牙信道探測的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)互操作性。將解決方案標(biāo)準(zhǔn)化，使其在手機(jī)與手機(jī)之間、設(shè)備與設(shè)備之間能夠“即插即用”，這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了他們在全球范圍內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)品部署所需的保障。要通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)這種“即插即用”功能，唯一的方法是將天線的使用方式與藍(lán)牙信道探測的其他流程一同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

盡管這項(xiàng)技術(shù)的其他方面被認(rèn)為處于領(lǐng)先地位且具有開創(chuàng)性，但對于藍(lán)牙信道探測而言，在可控范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)天線切換的靈活標(biāo)準(zhǔn)化同樣至關(guān)重要。這一特性確保了藍(lán)牙信道探測能夠兌現(xiàn)其在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健精度的同時(shí)最大化互操作性的承諾。

為何應(yīng)該設(shè)計(jì)配備多個(gè)天線的產(chǎn)品

當(dāng)兩個(gè)無線設(shè)備的天線調(diào)諧到同一頻率，并且其電路板之間視線通暢和/或具備足夠的功率以穿透環(huán)境中的所有材質(zhì)和干擾源進(jìn)行信號接收時(shí)，這兩個(gè)設(shè)備之間的通信效果最為理想。墻壁以及包括人體、地板、天花板在內(nèi)的障礙物，還有其他射頻信號，都可能對兩個(gè)天線之間的通信能力產(chǎn)生不利影響。

此外，天線之間的相對朝向也可能引發(fā)問題。在配備可移動、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的環(huán)境中，設(shè)備A的天線相對于設(shè)備B的天線的朝向是無法控制或預(yù)測的。不幸的是，某些朝向會產(chǎn)生與頻率相關(guān)的零值點(diǎn)，并導(dǎo)致信號幅度嚴(yán)重衰減。如果兩臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互之間的擺放角度和距離恰好處于某種情況，它們將無法進(jìn)行通信。

在基于低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）連接的異步連接導(dǎo)向邏輯（ACL）傳輸通信中，這些零值點(diǎn)往往會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包重傳，甚至可能造成連接中斷。在藍(lán)牙信道探測中，其影響可能更為微妙。來自PBR測量的IQ數(shù)據(jù)會出現(xiàn)相位信息失真的情況，這會在距離估計(jì)算法中引入誤差。

擁有多個(gè)天線朝向的設(shè)備能夠從不同的天線朝向，針對同一信道交換基于相位的數(shù)據(jù)，這增加了獲取描述該信道的無失真IQ數(shù)據(jù)的可能性。

無失真的IQ數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)高度精確的距離估算，從而帶來更優(yōu)質(zhì)的終端解決方案。

在藍(lán)牙信道探測設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)方案始終都應(yīng)考慮添加第二根天線。正如我們的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。EFR32xG24藍(lán)牙信道探測開發(fā)板提供了一個(gè)基于最佳實(shí)踐的設(shè)計(jì)示例，在不到33 x 33毫米的外形尺寸下支持兩根天線。其外形尺寸本身比最終產(chǎn)品要大，因?yàn)樗{(lán)牙信道探測開發(fā)板在板上配備了完整的調(diào)試電路。

在下文中將會進(jìn)一步探討這款開發(fā)板，現(xiàn)在來討論一下核心規(guī)范6.0究竟是如何將使用多根天線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的。

信道探測天線切換的工作原理

在天線切換方面，藍(lán)牙核心規(guī)范6.0標(biāo)準(zhǔn)化了三種基本方式。

●   功能交換

●   模式2（Mode 2）基于相位的測距操作

●   IQ數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交換

在功能交換過程中，連接中的外圍設(shè)備會對一個(gè)請求做出響應(yīng)，表明它能夠使用的天線最大數(shù)量，以及它能夠支持的天線路徑數(shù)量。天線路徑正如其字面意思那樣：即電路板A的天線與電路板B的天線進(jìn)行通信所經(jīng)過的路徑。由于電路板設(shè)計(jì)或內(nèi)存限制，一些設(shè)備可能無法支持多個(gè)天線路徑。

在流程開始之前，控制器會選擇一種配置，并將其傳達(dá)給反射方，以便雙方能相互了解天線路徑數(shù)量和天線配置情況。

在使用模式2基于相位測距的藍(lán)牙信道探測步驟中，發(fā)起方會按照反射方已知的模式，通過每個(gè)天線路徑在信道上發(fā)送音調(diào)信號。然后，反射方會在相同的信道上，沿著相同的天線路徑順序發(fā)送音調(diào)信號。

在發(fā)起方運(yùn)行的藍(lán)牙信道探測算法會保存該信道上所有特定于天線路徑的IQ數(shù)據(jù)，但在得出距離之前，它還需要反射方對應(yīng)的IQ數(shù)據(jù)。

在從反射方向發(fā)起方返回?cái)?shù)據(jù)的過程中（該過程通過LE ACL連接實(shí)現(xiàn)），IQ數(shù)據(jù)需要按照預(yù)定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳輸。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也被定義為測距配置文件的一部分，該配置文件在核心規(guī)范更新幾個(gè)月后被采用。

Silicon Labs（芯科科技）通過運(yùn)行在EFR32 xG24上的藍(lán)牙信道探測解決方案，支持上述所有功能。我們的藍(lán)牙協(xié)議棧已通過認(rèn)證，符合核心規(guī)范6.0的要求，并且我們對測距配置文件的實(shí)施已具備認(rèn)證條件。所有這些功能都可以使用BRD2606進(jìn)行評估。

那些只有一根天線的設(shè)計(jì)又如何呢？

并非所有的設(shè)計(jì)都能遵循每一項(xiàng)設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐。電路板或成本方面的限制可能會迫使一項(xiàng)設(shè)計(jì)只能使用單根天線。距離估計(jì)算法的可靠性可能會降低，但即便如此，這些設(shè)備仍然符合藍(lán)牙信道探測的條件。在僅使用一條天線路徑的情況下運(yùn)行，即設(shè)備A和設(shè)備B都僅有一條天線路徑，這仍然是一個(gè)可行的設(shè)計(jì)選擇。

下面的測試是在辦公室環(huán)境中進(jìn)行的，這種環(huán)境會產(chǎn)生反射和多徑干擾。測試是使用BRD2606進(jìn)行的，但每個(gè)開發(fā)板僅使用一根天線，從而形成一條天線路徑。

在這八次測試運(yùn)行中，兩塊開發(fā)板相距11米，并且其中一塊開發(fā)板進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)，以使兩塊開發(fā)板上的天線處于同極化或交叉極化狀態(tài)。

在這項(xiàng)測試中，交叉極化天線表現(xiàn)出了最佳效果，測量誤差通常在+/-2米以內(nèi)。同極化天線的表現(xiàn)更差，大多數(shù)結(jié)果顯示誤差在+/-3米或更大。

請注意，這種性能仍然遠(yuǎn)比嘗試使用RSSI來測量距離可靠得多，在藍(lán)牙信道探測被采用之前，RSSI是唯一可用的標(biāo)準(zhǔn)化距離估算方法。

如下圖所示，當(dāng)啟用2606開發(fā)板上的兩根天線，形成最多4條天線路徑時(shí)，測量結(jié)果會可靠得多，大多數(shù)測量的誤差都能很好地控制在1米以內(nèi)。請注意，在這些測試中，同極化測試案例是使用兩塊處于相同水平方向的BRD2606開發(fā)板進(jìn)行的，而交叉極化測試則是在一塊開發(fā)板垂直放置、另一塊開發(fā)板水平放置的情況下執(zhí)行的。

至少有一個(gè)設(shè)備支持雙天線的設(shè)計(jì)方案

藍(lán)牙信道探測的許多應(yīng)用往往遵循“定位器（Locator）”/“標(biāo)簽（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(shè)備共存方面的挑戰(zhàn)，以及與其他天線在電路板空間占用上的競爭問題。

標(biāo)簽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，這使得它難以支持雙天線。對于這些情況，我們認(rèn)為在固定的“定位器”端支持兩根或更多天線至少還是有些好處的。

下面的圖表展示了三組數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)是通過旋轉(zhuǎn)一塊僅激活單根天線的BRD2606開發(fā)板收集而來的，該開發(fā)板與另一塊激活了兩根天線的2606開發(fā)板相距10米。在一塊開發(fā)板旋轉(zhuǎn)時(shí)所估算的大多數(shù)距離中，我們看到誤差約在+/- 1米左右，但也存在一些明顯的異常值。

雖然這看起來可能令人擔(dān)憂，但重要的是，對于特定的應(yīng)用，始終要考慮達(dá)到何種程度的可靠性和準(zhǔn)確性才算足夠好。例如，用于在倉庫空間內(nèi)追蹤一個(gè)面積為2-4平方米智能貨盤的追蹤器，可能不需要與汽車的無鑰匙進(jìn)入和無鑰匙啟動應(yīng)用相同級別的精度。

通過啟用第二塊開發(fā)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(yùn)行的所有結(jié)果的精度都在0.5米以內(nèi)。

那為什么不始終使用四條天線路徑？

如上述結(jié)果和其他測試所示，無論開發(fā)板的擺放方向和環(huán)境狀況如何，四條天線路徑都能更可靠地提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

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(shè)計(jì)方案所能使用的天線數(shù)量。其他因素包括對能耗和更新速率的限制，或者對RF信號占空時(shí)間的考量。

使用多根天線會增加在信道探測的所有三個(gè)階段所花費(fèi)的時(shí)間：

●   在PBR測距過程中，隨著更多天線路徑被啟用，多天線支持會增加每個(gè)步驟的持續(xù)時(shí)間。

●   在將IQ數(shù)據(jù)從反射方傳輸?shù)街鳈C(jī)的過程中，多條天線路徑的IQ數(shù)據(jù)會增大通過LE ACL傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小。

●   在處理過程中，由多條天線路徑生成的數(shù)據(jù)會導(dǎo)致距離估算算法的執(zhí)行時(shí)間呈指數(shù)增長。

下表顯示了更新速率以及距離估算算法（SiSDK中的24Q4-GA）的執(zhí)行時(shí)間，這些數(shù)據(jù)是所使用天線數(shù)量的函數(shù)。我們還改變了信道間隔設(shè)置，使其在1 MHz間隔（72個(gè)信道）和2 MHz間隔（37個(gè)信道）之間變化，以便展示除了天線數(shù)量之外，其他因素是如何對更新速率和處理時(shí)間產(chǎn)生顯著影響的。

BRD2606藍(lán)牙信道探測評估平臺簡介

本文中的所有測試均使用BRD2606藍(lán)牙信道探測開發(fā)套件來完成，因?yàn)樗且粋€(gè)功能極為多樣的藍(lán)牙信道探測評估平臺。同時(shí)還考慮以下關(guān)鍵特性：

●   實(shí)施雙天線支持的最佳實(shí)踐，遵循所有已發(fā)布的指南。

●   可選擇使用紐扣電池供電。

●   小封裝適合用于原型設(shè)計(jì)，并且便于在空間受限的環(huán)境中進(jìn)行安裝。

●   通過板載電路提供板載調(diào)試和終端輸出功能。

這些開發(fā)板特性，再加上芯科科技符合SIG標(biāo)準(zhǔn)、支持藍(lán)牙信道探測功能的6.0協(xié)議棧，具備量產(chǎn)品質(zhì)的發(fā)起端和反射端示例應(yīng)用，諸如天線啟用等高度可配置的性能特性，以及Simplicity Studio的藍(lán)牙信道探測分析器GUI，芯科科技的開發(fā)人員以及客戶便都擁有了同樣強(qiáng)大可靠的平臺，可用于實(shí)現(xiàn)廣泛的評估。

我們將BRD2606設(shè)計(jì)成類似鑰匙扣的外形規(guī)格，但這種設(shè)計(jì)同樣適用于資產(chǎn)追蹤的應(yīng)用場景。對于任何具備低功耗藍(lán)牙功能且能從某種形式的定位感知中受益的系統(tǒng)而言，藍(lán)牙信道探測都是一項(xiàng)極具吸引力的增值功能。借助這塊小巧的開發(fā)板，我們期待看到開發(fā)人員能夠發(fā)掘出藍(lán)牙信道探測的創(chuàng)新應(yīng)用，甚至是超出藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟目前所強(qiáng)調(diào)的應(yīng)用場景范疇的新應(yīng)用。

開始您的藍(lán)牙信道探測應(yīng)用之旅

芯科科技期待在未來的開發(fā)周期中為我們的信道探測解決方案推出新功能并加以改進(jìn)。在此過程中，我們會對性能進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，通過優(yōu)化射頻信號空中傳輸時(shí)間和算法執(zhí)行時(shí)間來最大限度地降低電流消耗，同時(shí)提升準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。