藍(lán)牙5.1如何提供微定位？

隨著 GPS 的普及，定位已成為無線設(shè)備的重要功能之一。如今的消費(fèi)者期望實(shí)現(xiàn)微定位，這反過來促使無線技術(shù)針對微定位的要求進(jìn)行調(diào)整，推動(dòng)定位精度不斷提升。

使用無線技術(shù)進(jìn)行定位并不是一件新鮮事。然而，在確定了基于位置的新用例后，用戶對定位精度的要求也在逐年提高。

例如，GPS 系統(tǒng)可以達(dá)到約 5 到 20 米的精度級(jí)別，具體取決于信號(hào)條件。對于尋找特定建筑物的車主來說，GPS 系統(tǒng)足以滿足需求，但 GPS 的精度水平無法幫助用戶在商店中查找特定的貨架或在參觀博物館時(shí)找到目標(biāo)畫作。

如今，基于接收信號(hào)強(qiáng)度的藍(lán)牙和Wi-Fi定位系統(tǒng)可滿足室內(nèi)應(yīng)用的定位需求，例如檢測幾米內(nèi)人或物的接近程度。不過，下一代定位技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)更高的精度水平，達(dá)到幾厘米量級(jí)的亞米級(jí)精度，此類技術(shù)也稱為微定位。微定位開啟了免提訪問控制和資產(chǎn)跟蹤等眾多新一代用例，允許用戶以極其精確的方式與環(huán)境中的各種物體交互。

基于藍(lán)牙5.1核心規(guī)范的系統(tǒng)、基于IEEE 802.15.4z的超寬帶和基于IEEE 802.11az的Wi-Fi下一代定位技術(shù)讓這些新一代的定位應(yīng)用成為可能。

在超寬帶的支持下，藍(lán)牙已經(jīng)從一種低精度定位技術(shù)發(fā)展

為誤差在一米以內(nèi)的高精度定位技術(shù)。

藍(lán)牙 5.1 如何提供微定位？

藍(lán)牙 SIG 在2019 年發(fā)布了全新的藍(lán)牙 5.1核心規(guī)范，加入了用于定向的增強(qiáng)功能。早在 5.1 版本發(fā)布之前，藍(lán)牙便已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域，它使用一種稱為接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 的方法，根據(jù)測得的路徑損耗來估算發(fā)射器和接收器之間的距離。

但是，這種方法只能檢測到發(fā)射器位于某個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)，無法獲知傳入信號(hào)的方向。藍(lán)牙 5.1 規(guī)范通過提供傳入信號(hào)的角度信息將方向性納入考量。通過藍(lán)牙 5.1 的到達(dá)角（AoA） 或出發(fā)角 （AoD） 方法，可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)或?qū)ぢ窇?yīng)用。

藍(lán)牙定向是通過檢測藍(lán)牙設(shè)備的到達(dá)角實(shí)現(xiàn)的。

可根據(jù)輸入信號(hào)的角度確定方向。定向時(shí)，藍(lán)牙 5.1 設(shè)備會(huì)傳輸帶定頻擴(kuò)展信號(hào) （CTE） 欄位的數(shù)據(jù)包。CTE 字段是持續(xù)時(shí)間可變的未數(shù)據(jù) 1 位序列，可簡化接收器上的相位計(jì)算。藍(lán)牙 5.1 接收器使用具有至少兩根天線的天線陣列，并根據(jù)天線之間的相位差、信號(hào)波長和天線之間的距離計(jì)算入射角。

相比單獨(dú)使用 RSSI 方法，將角度信息與 RSSI 測量相結(jié)合能夠更準(zhǔn)確地確定設(shè)備位置。

基于藍(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)的定位精度取決于多種因素，包括數(shù)組中的天線數(shù)和天線方向圖，以及根據(jù)相位 I/Q 信息確定角度的后處理算法。此外，現(xiàn)場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也十分重要，因?yàn)檎系K物會(huì)降低 RSSI 和相位精度。不過，通過部署多個(gè)定位器進(jìn)行三角測量，可以顯著改善測量精度。

基于藍(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)能夠達(dá)到幾十厘米量級(jí)的亞米級(jí)精度，具體取決于實(shí)施情況。在本文編寫之際，所有主要芯片組制造商均已添加對藍(lán)牙 5.1 的支持。

超寬帶（UWB）如何實(shí)現(xiàn)微定位？

UWB 并非一項(xiàng)新技術(shù)。正如IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義的一樣，其首次部署發(fā)生在21世紀(jì)初。當(dāng)時(shí)，UWB 是一種專為替代 USB 而設(shè)計(jì)的高速傳輸技術(shù)，但并未實(shí)現(xiàn)廣泛商用。近年來，出于測距目的，IEEE 802.15.4z修訂版本對MAC和PHY層進(jìn)行了改進(jìn)。

與藍(lán)牙技術(shù)不同的是，UWB 并非使用信號(hào)強(qiáng)度，而是使用飛行時(shí)間 （ToF） 來估算距離。ToF 衡量的是信號(hào)從發(fā)射器到接收器所花費(fèi)的傳播時(shí)間。由于射頻信號(hào)在任何環(huán)境下均以光速傳播，因此基于ToF的距離估算方法比藍(lán)牙中使用的RSSI方法具備更好的環(huán)境適應(yīng)性。

飛行時(shí)間可提供距離信息。

UWB 不同于藍(lán)牙和Wi-Fi。UWB 并非使用調(diào)制正弦波，而是利用調(diào)制脈沖串來傳輸信息。UWB 脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短，僅有一納秒左右?？紤]到信號(hào)的特性，這種技術(shù)更能適應(yīng)室內(nèi)典型的多路徑環(huán)境，因?yàn)榕c藍(lán)牙或Wi-Fi相比，UWB的短脈沖更不易受到反射信號(hào)的干擾。

UWB 的 ToF 測量可以通過角度信息完善，以提供更精確的定位。類似于上文藍(lán)牙 5.1 AoA 部分所述，UWB 錨點(diǎn)接收器采用具有兩根或更多根天線的天線陣列。計(jì)算程序使用每根天線的到達(dá)時(shí)間和天線間隔信息確定傳入信號(hào)的角度。

基于UWB技術(shù)的系統(tǒng)可以達(dá)到10厘米級(jí)別的精度，具體取決于環(huán)境。在本文編寫之際，幾家主要芯片組制造商均已提供UWB解決方案，幾家智能手機(jī)制造商也紛紛采用這項(xiàng)技術(shù)，這證明了其發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁。

通過Wi-Fi 802.11az進(jìn)行微定位

接下來要探討的是最新且口碑最佳的一項(xiàng)技術(shù)，即已接近完成（目標(biāo)是在 2022 年發(fā)布）的 Wi-Fi 802.11az 下一代定位 （NGP） 標(biāo)準(zhǔn)。與藍(lán)牙類似，Wi-Fi 長期以來一直與基于 RSSI 的方法一起使用來提供定位。不過，NGP標(biāo)準(zhǔn)建立在一項(xiàng)稱為精細(xì)定時(shí)測量（FTM）的Wi-Fi功能基礎(chǔ)之上。

FTM 使用往返時(shí)間（RTT）信息來估算啟用Wi-Fi的網(wǎng)站和接入點(diǎn)之間的距離。RTT 機(jī)制會(huì)使用離開時(shí)間 （ToD） 和到達(dá)時(shí)間 （ToA） 的時(shí)間戳。802.11az標(biāo)準(zhǔn)旨在利用 802.11ax （Wi-Fi 6） 標(biāo)準(zhǔn)中的最新功能改進(jìn)傳統(tǒng) FTM。

Wi-Fi 精細(xì)定時(shí)測量功能測量往返時(shí)間。

Wi-Fi 6 信號(hào)支持高達(dá) 160 MHz 的通道帶寬，Wi-Fi 7 支持高達(dá) 320 MHz 的通道帶寬，802.11az 的增強(qiáng)功能利用新一代標(biāo)準(zhǔn)中更寬的通道帶寬，有效提高了定位精度。更高的帶寬意味著更高的分辨率，而MIMO操作則可更好地應(yīng)對多路徑效應(yīng)。

為提高協(xié)議效率，NGP 會(huì)使用 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)中已定義的空數(shù)據(jù)包 （NDP） 幀進(jìn)行波束成形探測。此外，新標(biāo)準(zhǔn)還利用了Wi-Fi 6的多用戶功能。當(dāng)將基于觸發(fā)器的測距與上行鏈路和下行鏈路OFDMA結(jié)合使用時(shí)，接入點(diǎn)可以利用單次傳輸有效地從多個(gè)網(wǎng)站獲得測距信息。此功能極大地減少了交換測距信息所需的開銷，還提高了對更多網(wǎng)站的可擴(kuò)展性。

在本文編寫之際，與采用802.11az NGP技術(shù)的商業(yè)定位解決方案相關(guān)的數(shù)據(jù)仍較為有限。然而，高通 Wi-Fi 測距白皮書上發(fā)布的測試數(shù)據(jù)顯示，這項(xiàng)技術(shù)在視距和非視距環(huán)境中的表現(xiàn)均十分出色，精度可達(dá)分米級(jí)。

下一代微定位技術(shù)對比

對比上述三種技術(shù)的定位精度時(shí)，UWB 的精度最高，可以達(dá)到厘米級(jí)?；谒{(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)可達(dá)到亞米級(jí)精度，而基于 802.11az 的 Wi-Fi 部署可達(dá)到分米級(jí)精度。請記住，在討論定位精度時(shí)必須考慮多項(xiàng)因素。環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、天線路徑延遲和其他參數(shù)都可能導(dǎo)致標(biāo)稱精度降低。

除了定位精度之外，還有許多因素會(huì)影響用戶投資新定位技術(shù)的決策，而這些判斷標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。例如，安全性、功耗、成本、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、傳輸范圍和互操作性都可能影響決策。

無論選擇哪種技術(shù)，都需要經(jīng)過精心的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測試才能確保最佳性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成功部署。

審核編輯 ：李倩