Nthatisi 研究了 Silicon Labs 的高精度距離測(cè)量 （HADM） 解決方案，該解決方案利用了藍(lán)牙 LE 的信道探測(cè)功能，專為復(fù)雜的射頻環(huán)境而設(shè)計(jì)。

隨著我們的世界日益緊密聯(lián)系，定位服務(wù)變得越來越重要。無論是在倉庫中跟蹤貨物、在復(fù)雜的建筑物內(nèi)導(dǎo)航，還是在限制區(qū)域內(nèi)確保安全，準(zhǔn)確測(cè)量設(shè)備之間距離的能力都至關(guān)重要。

從歷史上看，接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 一直是估計(jì)這些距離的首選方法。但是，RSSI有其缺點(diǎn)。其測(cè)量值可能會(huì)因環(huán)境因素而有很大差異，尤其是在具有多個(gè)信號(hào)路徑的室內(nèi)環(huán)境中。這種環(huán)境敏感性通常會(huì)導(dǎo)致缺乏可靠性和準(zhǔn)確性，有時(shí)甚至高達(dá) 4-5 米的差異。

安全性是RSSI的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。其級(jí)別可以縱，可能導(dǎo)致高安全性方案中的違規(guī)行為。例如，在自動(dòng)門系統(tǒng)等安全敏感設(shè)置中，攻擊者可以提高 RSSI 級(jí)別，使系統(tǒng)相信某人比實(shí)際更接近。此類安全漏洞使 RSSI 不適合高安全性應(yīng)用程序。

鑒于RSSI的局限性，對(duì)卓越、可靠的距離測(cè)量解決方案的需求是顯而易見的。此類解決方案應(yīng)滿足以下條件：

• 準(zhǔn)確性和可靠性：受環(huán)境變量的影響較小，確保距離測(cè)量的一致性。

• 簡單性：低成本的單天線設(shè)計(jì)至關(guān)重要。到達(dá)角 （AOA） 和超寬帶 （UWB） 等其他技術(shù)提供了更高的精度，但代價(jià)是復(fù)雜性增加。

• 安全性：對(duì)信號(hào)操縱具有強(qiáng)大的抵抗力，適合用于高安全性應(yīng)用。

• 互操作性：理想情況下，解決方案不應(yīng)是專有的，而應(yīng)與各種系統(tǒng)無縫集成。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，藍(lán)牙特別興趣小組 （SIG） 推出了一項(xiàng)新功能，即通道探測(cè)。這項(xiàng)創(chuàng)新功能有可能滿足下一代距離測(cè)量解決方案的所有要求，為改進(jìn)定位服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

藍(lán)牙 LE 的信道探測(cè)功能

信道探測(cè)是無線通信中用于了解和分析無線電信道特性的一種技術(shù)。它涉及通過通道傳輸已知信號(hào)或“音調(diào)”。然后，接收設(shè)備檢查該音調(diào)在傳播過程中如何變化，從而深入了解信道的特性和潛在干擾。

藍(lán)牙 LE 使用這種技術(shù)對(duì)以前的距離測(cè)量方法（如 RSSI）進(jìn)行了重大改進(jìn)，后者在復(fù)雜的射頻環(huán)境中難以提高準(zhǔn)確性和可靠性。

Bluetooth LE 的信道探測(cè)功能提供兩種模式來增強(qiáng)距離測(cè)量：基于相位的測(cè)距 （PBR） 和往返定時(shí) （RTT）。

基于相位的測(cè)距 （PBR）

在信道探測(cè)中，從事通信的兩個(gè)設(shè)備稱為引發(fā)器和反射器。引發(fā)器發(fā)送特定信號(hào)，反射器接收該信號(hào)，進(jìn)行一些處理，并將其發(fā)送回去。

在 PBR 模式下，所涉及的兩個(gè)器件（啟動(dòng)器和反射器）使用幅度移移鍵控 （ASK） 交換有關(guān)信號(hào)相位和幅度的信息。這種交換構(gòu)成了距離測(cè)量的基礎(chǔ)。

我們知道，射頻信號(hào)的相位是載波頻率和它傳播的距離的函數(shù)。例如，藍(lán)牙 LE 信號(hào)的波長約為 12.5 厘米。因此，如果兩個(gè)器件之間的相位差為 π （pi），則器件之間的距離將是波長的一半，約為 6.25 厘米。

基于相位的測(cè)距 （PBR）

因此，通過比較發(fā)射和接收信號(hào)的相位，相對(duì)相位差提供了啟動(dòng)器和反射器之間距離的度量。

PBR 比 RSSI 和 AOA 等舊技術(shù)有顯著改進(jìn)。首先，信號(hào)的相位更難操縱，從而提供了增強(qiáng)的安全性。

此外，PBR 提供更高水平的精度。在進(jìn)行距離估計(jì)之前，來自引發(fā)器和反射器的同相和正交 （IQ） 樣本經(jīng)過信號(hào)分析和濾波。該工藝可實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)精度的距離測(cè)量。

此外，PBR不需要多個(gè)天線或天線陣列，有助于簡化系統(tǒng)并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

往返定時(shí) （RTT） 模式

在 RTT 模式下，數(shù)據(jù)包在發(fā)起方和反射器之間發(fā)送。計(jì)算這些數(shù)據(jù)包傳輸所需的時(shí)間，稱為飛行時(shí)間 （TOF）。該 TOF 可用于使用速度公式確定設(shè)備之間的距離。

往返定時(shí) （RTT）

往返時(shí)間公式如下：

RTT = 2TOF =（到達(dá)時(shí)間 - 出發(fā)時(shí)間） - （到達(dá)時(shí)間 - 出發(fā)時(shí)間）。

該方程基本上描述了信號(hào)從啟動(dòng)器傳播到反射器并再次返回所需的總時(shí)間。

TOF的精度以及計(jì)算的距離取決于器件采樣時(shí)鐘的精度。分?jǐn)?shù)定時(shí)技術(shù)通常用于提高這種精度。這些技術(shù)涉及使用比時(shí)鐘滴答聲提供的時(shí)間單位更小的時(shí)間單位來測(cè)量 TOF，從而產(chǎn)生更精確的距離估計(jì)。

RTT 模式的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是它提供的固有安全性。由于時(shí)間不能逆轉(zhuǎn)或容易操縱，因此潛在的攻擊者更難干擾時(shí)序信息，從而提供一層防止信號(hào)操縱的安全保護(hù)。

但是，RTT 不如 PBR 準(zhǔn)確。對(duì)高精度時(shí)鐘的要求和對(duì)分?jǐn)?shù)定時(shí)技術(shù)的需求使其成為比 PBR 更復(fù)雜的解決方案。

Silicon Lab 的 HADM 解決方案的性能

Silicon Labs 在模擬真實(shí)使用條件的辦公環(huán)境中對(duì)其高精度距離測(cè)量 （HADM） 解決方案進(jìn)行了嚴(yán)格測(cè)試。

HADM 測(cè)試環(huán)境設(shè)置在辦公室走廊內(nèi)，周圍有會(huì)議室、廚房和其他典型的辦公功能。安裝了天花板導(dǎo)軌基礎(chǔ)設(shè)施，以便在視距 （LOS） 和非視距 （NLOS） 場景中以不同的距離和配置進(jìn)行自動(dòng)化、重復(fù)測(cè)試。

嵌入在墻壁和天花板位置的是固定的 EFR32 設(shè)備，復(fù)制了典型的接入點(diǎn)位置。軌道系統(tǒng)上的移動(dòng) EFR32 設(shè)備有助于進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，評(píng)估系統(tǒng)在移動(dòng)目標(biāo)下的性能，并提供長達(dá) 30 米的靜態(tài)測(cè)量。

性能試驗(yàn)主要使用基于相位的測(cè)距 （PBR） 模式。結(jié)果（如提供的圖表所示）顯示出令人印象深刻的性能。

Silicon Lab 的 HADM PBR 距離估算

x 軸表示實(shí)際距離，y 軸表示中值絕對(duì)誤差，每米進(jìn)行一次測(cè)量，最遠(yuǎn)可達(dá) 21 米。一般來說，觀察到的誤差低于 1 米——考慮到苛刻的多徑環(huán)境，這是一個(gè)非常有希望的結(jié)果。

Silicon Labs 解決方案入門

Silicon Labs 目前為選定的客戶提供搶先體驗(yàn)計(jì)劃，允許他們開始試驗(yàn) HADM 功能，即使它仍處于開發(fā)階段。

為了順利起步，他們提供了一個(gè)基于 EFR32MG4 SoC 的測(cè)距套件，以及 23Q2 GSDK 軟件包，以及用于 HADM 應(yīng)用的基本測(cè)距 API 和庫。此外，還包括一個(gè)針對(duì)啟動(dòng)器和反射器的預(yù)構(gòu)建 HADM 演示，提供了一種在您自己的環(huán)境中試驗(yàn) HADM 的快速方法。

此外，可視化工具提供估計(jì)距離的實(shí)時(shí)圖形視圖，增強(qiáng)理解并促進(jìn)開發(fā)。提供構(gòu)建基于RSSI的測(cè)距系統(tǒng)的選項(xiàng)，可用于將其性能與PBR和RTT進(jìn)行比較。

與規(guī)范保持一致

由于 Silicon Labs 的 HADM 解決方案仍在開發(fā)中，其結(jié)果和功能將進(jìn)一步提高。此外，藍(lán)牙 LE 信道探測(cè)功能是其產(chǎn)品的核心，目前也處于草案階段。您可以在 Bluetooth SIG 網(wǎng)站上查看當(dāng)前形式的功能。Silicon Labs 將繼續(xù)監(jiān)控其進(jìn)展，確保其產(chǎn)品在獲得批準(zhǔn)后與最終的藍(lán)牙規(guī)范無縫保持一致。