Enhancing Indoor Location Services with Innovative Bluetooth? Core Specification v5.1 Angle of Arrival (AoA)

利用創(chuàng)新的Bluetooth?核心規(guī)范v5.1中的到達(dá)角（AoA）增強(qiáng)室內(nèi)定位服務(wù)

什么是到達(dá)角？如何部署該技術(shù)？

作者：安森美現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)工程師，Denis Zebrowski

Bluetooth? 核心規(guī)范v5.1是藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展的一個重大進(jìn)步，尤其是其測向功能。這一功能提高了定位服務(wù)的精度，對室內(nèi)導(dǎo)航和資產(chǎn)跟蹤等應(yīng)用至關(guān)重要。

圖1：使用藍(lán)牙到達(dá)角技術(shù)的醫(yī)療保健需求不斷增長

藍(lán)牙測向是一項尖端技術(shù)，可增強(qiáng)各種設(shè)備的定位服務(wù)。有兩種方法可以遵循：到達(dá)角（AoA）和出發(fā)角（AoD）。

在零售應(yīng)用中，提供對貨品流動、利用率和行為模式洞察的數(shù)據(jù)模型正在得到大力開發(fā)，以生成與業(yè)務(wù)相關(guān)的KPI，例如服務(wù)時長、最常用的路線、熱點和其他消費者行為指標(biāo)（圖 2）。

圖2：零售店平面圖上可視化的“最常用”零售數(shù)據(jù)示例

< VIDEO: How RSL15 Enables Asset-Tracking with Low-Power Bluetooth 5.2 >

藍(lán)牙測向方法的多功能性，如無連接和面向連接的操作模式，使其能夠適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用，并有望在未來幾年在無線通信和定位服務(wù)領(lǐng)域開辟新的前景。

AoA是如何工作的，基本的設(shè)計原則是什么？

AoA 和 AoD 方法都利用了射頻信號測量的相同基本原理，但在信號處理和天線配置方法上有所不同。通過利用天線陣列，設(shè)備可以比以往更準(zhǔn)確地確定信號的方向（圖 3）。

圖3：測向系統(tǒng)概述（AoA結(jié)構(gòu)）

測向系統(tǒng)由以下元素組成：

• 發(fā)送器（AoA標(biāo)簽）

• 接收器（AoA定位器）

• 角度和位置處理單元

藍(lán)牙技術(shù)采用的測向技術(shù)涉及發(fā)射器發(fā)送恒定音頻擴(kuò)展 (CTE) 信號。然后，配備多個天線的接收器使用該信號來確定源的方向（圖 4）。

圖4：附加到藍(lán)牙LE數(shù)據(jù)包的CTE位

AoA機(jī)制的主要原理可以概括為幾個步驟（圖5）：

1. 標(biāo)簽通過在主頻道上廣播擴(kuò)展來發(fā)起通信，然后在次要頻道上定期廣播。

2. 定位器旨在檢測此擴(kuò)展廣播、與標(biāo)簽同步，然后捕獲包含 CTE 信號的定期廣播。

3. 定位器對 CTE 信號進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一組稱為 IQ 樣本的數(shù)據(jù)。

4. 這些 IQ 樣本由角度計算器處理，以確定標(biāo)簽和定位器之間的角度。

5. 知道標(biāo)簽和多個定位器之間的角度后，系統(tǒng)可以對標(biāo)簽的位置進(jìn)行三角測量，從而在無連接 AoA 模式下實現(xiàn)精確的位置跟蹤。

圖5：AoA測向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流

當(dāng)發(fā)射器發(fā)射信號時，它以光速在三維空間中從發(fā)射器向外傳播。其路徑描繪的是一個不斷膨脹的球體。

為了簡化計算到達(dá)角或出發(fā)角的思路，讓我們只考慮二維，即在二維笛卡爾平面上。這種情況目前在資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中最為常見，因為與物體高度相對應(yīng)的第三個坐標(biāo)并不重要（圖 6）。

圖 6：到達(dá)角原理

通過測量兩個接收天線之間的相位差 (Ψ 2 - Ψ 1)，假設(shè)它們之間的距離 (d) 和信號波長 (λ) 已知，則可以使用基本三角學(xué)計算信號的角度。

I/Q 解調(diào)是現(xiàn)代無線電接收器中的關(guān)鍵步驟。它涉及從接收到的原始 CTE 信號中提取 I 和 Q 數(shù)據(jù)分量。也就是說，RF 輸入乘以復(fù)數(shù)相量（I 和 Q 分量），然后進(jìn)行濾波和降采樣以產(chǎn)生 IQ 數(shù)據(jù)流（圖 7）。

圖7：左側(cè)為IQ坐標(biāo)圖，右邊是通過4天線陣列測量的IQ平面可視化標(biāo)簽位置

以下是典型的工作流程（圖8）：

• 下變頻：I/Q數(shù)據(jù)乘以載波頻率或載波頻率附近的復(fù)相量（正弦和余弦對）。此操作將信號向下移動到較低的中頻（IF）。

• 低通濾波：下變頻后，低通濾波器去除不需要的高頻成分，只留下基帶信號。

• 抽取：對濾波后的信號進(jìn)行下采樣，以降低數(shù)據(jù)速率，同時保留基本信息。

圖8：藍(lán)牙設(shè)備射頻前端的IQ數(shù)據(jù)解調(diào)

<了解更多TND6431-設(shè)計節(jié)能無線定位系統(tǒng)（onsemi.cn）>

設(shè)計注意事項和行業(yè)限制

在輸出端提供第三個笛卡爾坐標(biāo)的更精確的定位系統(tǒng)中，需要計算至少兩個角度來顯示發(fā)射器和接收器在三維空間中的關(guān)系（三角測量）。要獲得第二個角度，需要第二個 AoA 定位器。這兩個角度稱為方位角和仰角。

另一種方法不需要測量任何角度，稱為三邊測量法。它通常使用飛行時間 (ToF) 測量距離來實現(xiàn)，為此使用信道探測 (藍(lán)牙 5.4) 或其超寬帶 (UWB) 技術(shù)。

隨藍(lán)牙核心規(guī)范 5.4 版發(fā)布的信道探測 (CS)，在藍(lán)牙術(shù)語中也稱為高精度距離測量 (HADM)，可視為基于 RSSI 的距離測量的高精度替代方案。借助 CS，已經(jīng)使用低功耗藍(lán)牙的應(yīng)用程序，無需額外硬件成本即可獲得更高的精度。

RSSI 到達(dá)角 通道探測

本地化指標(biāo) 根據(jù)發(fā)射機(jī)信號強(qiáng)度解決距離估計問題 解析兩點之間的相對角度 使用ToF和基于相位的測距解決兩點之間的距離

天線要求 單天線 規(guī)范要求的多天線 不需要多天線，但可用于優(yōu)化位置分辨率

藍(lán)牙LE連接 面向連接和無連接 面向連接和無連接 以連接為導(dǎo)向

性能指標(biāo) +/-5m，易受多徑干擾 +-3度精度-方位角

+-5度精度-仰角 +-.3 m<5m，PBR范圍

+-0.5 m>5m，PBR范圍

解決方案優(yōu)勢 在現(xiàn)有藍(lán)牙LE產(chǎn)品中普遍支持RSSI測量 ?可擴(kuò)展的實時位置跟蹤解決方案

• 支持5–10年的電池壽命 ?具有靈活天線設(shè)計的小外形尺寸

• 增加鄰近安全功能

表1：藍(lán)牙LE測距技術(shù)比較

安森美的RSL15 AoA解決方案

安森美開發(fā)的RSL15 5.2微控制器可以通過AoA方法提供可靠的資產(chǎn)跟蹤。該項目由兩個獨立的部分組成：

• 監(jiān)聽器：ble_Scanner_DF_定位板上運行的多個應(yīng)用程序。

• 廣播器：在標(biāo)簽板上運行的ble_Advertiser_DF應(yīng)用程序。

監(jiān)聽器和廣播器的無線核心是安森美的RSL15 5.2系統(tǒng)芯片。或者，基于相同安森美產(chǎn)品的更集成的解決方案是Murata的System in Package 2EG設(shè)備（圖9）。

監(jiān)聽器項目負(fù)責(zé)接收廣播標(biāo)簽發(fā)送的CTE信號，從中獲得IQ樣本。

這些樣本被發(fā)送到PC或云上運行的應(yīng)用程序，以計算監(jiān)聽器和廣播器之間的角度。最后，將計算出的角度轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)，并映射到二維或三維。

圖9：從藍(lán)牙LE標(biāo)簽到實時位置數(shù)據(jù)的完整端到端解決方案

上述兩個應(yīng)用程序的示例代碼都可以在安森美 CMSIS包中免費獲得，該包可以從安森美網(wǎng)站下載（圖10）。

圖10：連接和無連接模式的安森美代碼示例

每個人都可以下載并使用安森美功率估算器工具來驗證使用哪些通信參數(shù)和方案，并最大限度地延長電池壽命。這為預(yù)期的系統(tǒng)性能和限制提供了寶貴的理論參考（圖11）。

圖11:安森美電池壽命估算器和測向指標(biāo)

CoreHW設(shè)計并提供多種尺寸的天線陣列板，可實現(xiàn)厘米級的卓越定位精度。這些可立即投入生產(chǎn)的天線板的頻率范圍為 2400-2483 MHz，最多有 16 個單端天線端口（圖 12）。

圖12: 安森美 RSL15 EVB 位于 coreHW 定位器內(nèi)部

天線包含用于天線選擇的CHW1010 SP16T藍(lán)牙AoA和AoD天線開關(guān)，以及用于射頻和數(shù)字控制信號的連接器，以便于連接BLE SoC控制板（圖13）。

圖13：核心硬件天線陣列

Unikie 的低功耗藍(lán)牙定位引擎專為實時跟蹤低功耗藍(lán)牙標(biāo)簽而設(shè)計。生成的數(shù)據(jù)可以在邊緣服務(wù)器或云端處理，確保靈活性和成本效益（圖 14）。此外，該引擎的 API 有助于與企業(yè)系統(tǒng)無縫集成，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)建模。這使得人們能夠更深入地了解物料流轉(zhuǎn)、利用率和行為模式，標(biāo)志著基于位置的服務(wù)和資產(chǎn)管理取得了顯著進(jìn)展。

圖14：Unikie的定位應(yīng)用軟件引擎

結(jié)論 – RSL15 解決方案如何幫助解決行業(yè)挑戰(zhàn)？該解決方案有何不同？

成功采用藍(lán)牙測向技術(shù)的關(guān)鍵先決條件仍然是標(biāo)簽設(shè)備的使用壽命和成本。在安森美，我們將藍(lán)牙 SoC 視為朝著這一目標(biāo)邁出的一大步，我們始終專注于以合理的成本向市場提供一流的超低功耗無線技術(shù)。

我們共同致力于分享有關(guān)此類系統(tǒng)實施的知識，使我們的客戶更輕松地進(jìn)行開發(fā)，并幫助消除人們與這項變革性技術(shù)之間的差距，以便在日常生活中充分利用該技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

1) 藍(lán)牙核心規(guī)范 5.1 核心規(guī)范 | Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站

2) 藍(lán)牙低功耗到達(dá)角定位解決方案 – 標(biāo)簽、接收器、天線、固件、應(yīng)用軟件 Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站

3) AND90234 - 開發(fā)定位系統(tǒng) (onsemi.cn)

4) 基于BLE的實時定位解決方案-Unikie

5) CHW1010-ANT1_Product_Brief_v1.5.pdf (corehw.com)

6) 室內(nèi)定位系統(tǒng)和室內(nèi)跟蹤 | CoreHW

7) 藍(lán)牙通道探測 - 邁向10 厘米測距精度的安全訪問、數(shù)字密鑰和鄰近藍(lán)牙服務(wù)| Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站

8) AoA 和 AoD 如何改變藍(lán)牙定位服務(wù)的方向 | Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站

9) onsemi。“使用物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)跟蹤技術(shù)實現(xiàn)個人安全應(yīng)用和社交距離”2021 年 8 月 - 第 1 版

10) 4 Martin Woolley，“藍(lán)牙測向，技術(shù)概述”，2021 年 2 月 22 日