不同發(fā)射功率與頻率對(duì)RSSI測(cè)量值的影響

概述

RSSI測(cè)試是指通過(guò)低功耗藍(lán)牙（BLE）接收到的信號(hào)能量強(qiáng)弱來(lái)映射距離。BLE在廣播或者連接模式下都可以接收到另一方的數(shù)據(jù)包，以及對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）。RSSI本質(zhì)上會(huì)隨著BLE主從設(shè)備之間的距離的變化而呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的單調(diào)變化，通過(guò)電磁波空間傳播模型可以根據(jù)RSSI計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離。

實(shí)際場(chǎng)景中RSSI會(huì)受到多個(gè)因素的影響，比如空中同頻干擾信號(hào)，電磁波在不同物質(zhì)表面的反射折射等造成的多徑疊加，中間障礙物的遮擋，以及天線的性能和朝向等。這些因素會(huì)造成RSSI的大幅度波動(dòng)，并且在不同場(chǎng)景下表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)和范圍。下圖是BLE在連接狀態(tài)下，固定位置，1秒間隔內(nèi)連續(xù)收到的100個(gè)數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的RSSI：

可以看到即便在固定位置的很短時(shí)間內(nèi)，RSSI波動(dòng)都可能有超過(guò)20db，對(duì)應(yīng)的距離如下：

通過(guò)對(duì)足夠數(shù)量的RSSI樣本濾波可以過(guò)濾掉偏差很大的干擾值，減小距離映射的誤差（實(shí)際的效果取決于距離和環(huán)境等因素）。

不同頻率對(duì)RSSI測(cè)量值的影響

不同頻率（BLE信道）在相同環(huán)境中對(duì)RSSI的測(cè)量值有一定影響，下圖分別是連接狀態(tài)下（37個(gè)信道自動(dòng)跳頻）和固定頻率（channel 37）廣播下在室內(nèi)環(huán)境（0~5m）不同距離下測(cè)出的RSSI值：

連接下的多信道RSSI有平均15db以上的波動(dòng)，但是信道37的廣播只有平均5db的波動(dòng)。實(shí)際使用中，多信道自動(dòng)跳頻更適合應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸（抗干擾能力強(qiáng)），RSSI的波動(dòng)可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波來(lái)減小。

不同發(fā)射功率對(duì)RSSI測(cè)量值的影響

大的發(fā)射功率支持傳輸更遠(yuǎn)的距離，但是也會(huì)造成更大的RSSI波動(dòng)。相反，較小的發(fā)射功率波動(dòng)較小而且有利于功耗，但是覆蓋范圍有限。下圖是在連接狀態(tài)下，0~5m的距離內(nèi)，使用8dbm發(fā)射功率和-25dbm發(fā)射功率分別測(cè)量的RSSI:

兩者表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。-25dbm的數(shù)據(jù)的波動(dòng)相對(duì)較小，但是對(duì)于遠(yuǎn)距離，RSSI的讀值趨于平坦。兩者在近距離內(nèi)都可以通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)相同的效果，實(shí)際使用中應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景在遠(yuǎn)距離和低功耗之間選擇合適的發(fā)射功率。

不同場(chǎng)景對(duì)RSSI的影響

場(chǎng)景中的噪聲和其他物體造成的反射對(duì)RSSI有很大影響，以會(huì)議室場(chǎng)景和地下車庫(kù)場(chǎng)景為例，會(huì)議室場(chǎng)景存在較多物體，而地下車庫(kù)場(chǎng)景相對(duì)空曠，因此地下車庫(kù)場(chǎng)景的RSSI波動(dòng)較小一些，不同場(chǎng)景會(huì)直接影響測(cè)距和濾波的系數(shù)（系數(shù)需要針對(duì)不同場(chǎng)景校準(zhǔn)）。

01 場(chǎng)景：會(huì)議室

BLE主從設(shè)備為ingchips916， 兩個(gè)設(shè)備都經(jīng)過(guò)了RSSI校準(zhǔn)（+/-1.5db），確保不同增益切換對(duì)RSSI的影響最小。在如下的會(huì)議室中，雙方進(jìn)入連接狀態(tài)（多信道自動(dòng)跳頻，-25dbm發(fā)射功率，10ms連接間隔），在0~5m內(nèi)每間隔0.5m采集100個(gè)RSSI值（1s）:

假定每個(gè)位置的RSSI值服從正態(tài)分布，首先對(duì)每一組數(shù)據(jù)使用高斯濾波過(guò)濾掉偏差很大的值。這一步為可選項(xiàng)，高斯濾波對(duì)樣本數(shù)量較小的情況提升不明顯，如果RSSI測(cè)量個(gè)數(shù)很大，則可以考慮首先使用高斯濾波對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 參數(shù)[sigma = 1]的高斯濾波后的數(shù)據(jù)和原來(lái)數(shù)據(jù)的對(duì)比：

接下來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)使用卡爾曼濾波（Kalman），Kalman對(duì)噪聲環(huán)境下的服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)有較好效果（參考[1]）。此處使用參數(shù)[A=1, H=1, Q=0.1, R=2.5]，濾波后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)比：

相比于原始數(shù)據(jù)，Kalman濾波后的數(shù)據(jù)相對(duì)收斂，將濾波后RSSI轉(zhuǎn)換為距離（參數(shù)[n=1.6]），結(jié)果如下：

對(duì)于較小的（3m之內(nèi)）的誤差，Kalman和原始數(shù)據(jù)的差別不大。對(duì)于較大的誤差，Kalman可以通過(guò)和先前數(shù)據(jù)的平滑過(guò)濾掉偏差很大的值（結(jié)論參考[2]）。

02 場(chǎng)景：地下車庫(kù)

地下車庫(kù)相對(duì)比較開(kāi)闊，測(cè)試設(shè)備采用連接方式（多信道調(diào)頻，8dbm發(fā)射功率）測(cè)量RSSI，在1~20m距離內(nèi)每隔1m采集100個(gè)數(shù)據(jù)（10ms連接間隔，耗時(shí)1s）。和場(chǎng)景1類似，采用Kalman濾波（參數(shù)[A=1, H=1, Q=0.1, R=2.5]）后的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)比：

轉(zhuǎn)換為距離后和原始數(shù)據(jù)對(duì)比為（參數(shù)分別為[n=1.4]和[n=1.35]）:

大于15m的距離，誤差很大，數(shù)據(jù)沒(méi)有使用的價(jià)值。小于15m的距離內(nèi)，在較小誤差的情況下，Kalman和原始數(shù)據(jù)差別不大，較大誤差比如10m位置，Kalman則有約10%的提升。

趨勢(shì)判斷

對(duì)于需要判斷距離變化趨勢(shì)的應(yīng)用場(chǎng)景，需要按時(shí)間順序采集RSSI測(cè)量值，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)擬合后的斜率變化來(lái)判斷距離趨勢(shì)。考慮到RSSI和距離的映射關(guān)系為非線性，RSSI的變化趨勢(shì)需要在小范圍時(shí)間內(nèi)進(jìn)行擬合。

在會(huì)議室場(chǎng)景和地下車庫(kù)場(chǎng)景，從遠(yuǎn)距離以步行速度靠近信源，原始數(shù)據(jù)和擬合曲線分別為：

可以觀測(cè)到：

1.在遠(yuǎn)離信源的地方（10m之外），RSSI的變化趨勢(shì)存在波動(dòng)。

2.受環(huán)境和設(shè)備天線朝向等因素，RSSI絕對(duì)值在不同場(chǎng)景中表現(xiàn)不同。

3.而在靠近信源的地方（會(huì)議室場(chǎng)景在1.5m內(nèi)，地下車庫(kù)場(chǎng)景在3m范圍內(nèi)），信號(hào)強(qiáng)度的線性變化趨勢(shì)較為明顯。

實(shí)際使用場(chǎng)景中，如果RSSI測(cè)量設(shè)備的環(huán)境復(fù)雜或者靠近的路線不明確，都有可能導(dǎo)致最終的趨勢(shì)預(yù)測(cè)不夠可靠。但在已知場(chǎng)景下，可以通過(guò)對(duì)該區(qū)域內(nèi)RSSI的測(cè)量來(lái)劃分出不同區(qū)域，在靠近信源的區(qū)域（信號(hào)趨勢(shì)明顯），通過(guò)結(jié)合RSSI測(cè)量值以及線性擬合的斜率來(lái)判斷測(cè)量點(diǎn)是在靠近還是遠(yuǎn)離信源。

結(jié)論

1. RSSI測(cè)距受包括收發(fā)天線，多徑干擾，RSSI精度等多個(gè)因素影響，10m內(nèi)有平均1~3m的誤差。

2. 不同信道對(duì)RSSI測(cè)距有一定影響，單信道測(cè)距要比跳頻測(cè)距更穩(wěn)定。

3. 取決于實(shí)際使用需求，發(fā)射功率對(duì)RSSI測(cè)距的影響不明顯。

4. 為了達(dá)到相對(duì)收斂的效果，實(shí)際使用中應(yīng)該對(duì)一定數(shù)量的樣本濾波來(lái)過(guò)濾掉方差較大的測(cè)量值。

5. RSSI距離映射公式和濾波的相關(guān)參數(shù)和特定環(huán)境相關(guān)，需要針對(duì)測(cè)定場(chǎng)景校準(zhǔn)。

6. 具體使用請(qǐng)參考Ingchips示例工程。

審核編輯：劉清