利用创新的Bluetooth核心规范v5.1中的到达角（AoA）增强室内定位服务

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

什么是到达角？如何部署该技术？

作者：安森美现场应用系统工程师，Denis Zebrowski

Bluetooth 核心规范v5.1是蓝牙技术发展的一个重大进步，尤其是其测向功能。这一功能提高了定位服务的精度，对室内导航和资产跟踪等应用至关重要。


图1：使用蓝牙到达角技术的医疗保健需求不断增长

蓝牙测向是一项尖端技术，可增强各种设备的定位服务。有两种方法可以遵循：到达角（AoA）和出发角（AoD）。

在零售应用中，提供对货品流动、利用率和行为模式洞察的数据模型正在得到大力开发，以生成与业务相关的KPI，例如服务时长、最常用的路线、热点和其他消费者行为指标（图 2）。


图2：零售店平面图上可视化的“最常用”零售数据示例

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

蓝牙测向方法的多功能性，如无连接和面向连接的操作模式，使其能够适应更广泛的应用，并有望在未来几年在无线通信和定位服务领域开辟新的前景。
＜视频：RSL15如何使用低功耗蓝牙5.2实现资产跟踪＞

AoA是如何工作的，基本的设计原则是什么？

AoA 和 AoD 方法都利用了射频信号测量的相同基本原理，但在信号处理和天线配置方法上有所不同。通过利用天线阵列，设备可以比以往更准确地确定信号的方向（图 3）。


图3：测向系统概述（AoA结构）

测向系统由以下元素组成：
        发送器（AoA标签）
        接收器（AoA定位器）
        角度和位置处理单元

蓝牙技术采用的测向技术涉及发射器发送恒定音频扩展 (CTE) 信号。然后，配备多个天线的接收器使用该信号来确定源的方向（图 4）。


图4：附加到蓝牙LE数据包的CTE位

AoA机制的主要原理可以概括为几个步骤（图5）：
1. 标签通过在主频道上广播扩展来发起通信，然后在次要频道上定期广播。
2. 定位器旨在检测此扩展广播、与标签同步，然后捕获包含 CTE 信号的定期广播。
3. 定位器对 CTE 信号进行采样，产生一组称为 IQ 样本的数据。
4. 这些 IQ 样本由角度计算器处理，以确定标签和定位器之间的角度。
5. 知道标签和多个定位器之间的角度后，系统可以对标签的位置进行三角测量，从而在无连接 AoA 模式下实现精确的位置跟踪。


图5：AoA测向系统的数据流

当发射器发射信号时，它以光速在三维空间中从发射器向外传播。其路径描绘的是一个不断膨胀的球体。

为了简化计算到达角或出发角的思路，让我们只考虑二维，即在二维笛卡尔平面上。这种情况目前在资产跟踪应用中最为常见，因为与物体高度相对应的第三个坐标并不重要（图 6）。


图 6：到达角原理

通过测量两个接收天线之间的相位差 (Ψ 2 - Ψ 1)，假设它们之间的距离 (d) 和信号波长 (λ) 已知，则可以使用基本三角学计算信号的角度。

I/Q 解调是现代无线电接收器中的关键步骤。它涉及从接收到的原始 CTE 信号中提取 I 和 Q 数据分量。也就是说，RF 输入乘以复数相量（I 和 Q 分量），然后进行滤波和降采样以产生 IQ 数据流（图 7）。

   
图7：左侧为IQ坐标图，右边是通过4天线阵列测量的IQ平面可视化标签位置

以下是典型的工作流程（图8）：
        下变频：I/Q数据乘以载波频率或载波频率附近的复相量（正弦和余弦对）。此操作将信号向下移动到较低的中频（IF）。
        低通滤波：下变频后，低通滤波器去除不需要的高频成分，只留下基带信号。
        抽取：对滤波后的信号进行下采样，以降低数据速率，同时保留基本信息。


图8：蓝牙设备射频前端的IQ数据解调

<了解更多TND6431-设计节能无线定位系统（onsemi.cn）>

设计注意事项和行业限制

在输出端提供第三个笛卡尔坐标的更精确的定位系统中，需要计算至少两个角度来显示发射器和接收器在三维空间中的关系（三角测量）。要获得第二个角度，需要第二个 AoA 定位器。这两个角度称为方位角和仰角。

另一种方法不需要测量任何角度，称为三边测量法。它通常使用飞行时间 (ToF) 测量距离来实现，为此使用信道探测 (蓝牙 5.4) 或其超宽带 (UWB) 技术。

随蓝牙核心规范 5.4 版发布的信道探测 (CS)，在蓝牙术语中也称为高精度距离测量 (HADM)，可视为基于 RSSI 的距离测量的高精度替代方案。借助 CS，已经使用低功耗蓝牙的应用程序，无需额外硬件成本即可获得更高的精度。

表1：蓝牙LE测距技术比较

      　  RSSI  到达角  通道探测
  本地化指标  根据发射机信号强度解决距离估计问题  解析两点之间的相对角度  使用ToF和基于相位的测距解决两点之间的距离
  天线要求  单天线  规范要求的多天线  不需要多天线，但可用于优化位置分辨率
  蓝牙LE连接  面向连接和无连接  面向连接和无连接  以连接为导向
  性能指标  +/-5m，易受多径干扰  +-3度精度-方位角  +-.3 m<5m，PBR范围
  +-5度精度-仰角  +-0.5 m>5m，PBR范围
  解决方案优势  在现有蓝牙LE产品中普遍支持RSSI测量  l  可扩展的实时位置跟踪解决方案  l  具有灵活天线设计的小外形尺寸
  l  支持5–10年的电池寿命  l  增加邻近安全功能

安森美的RSL15 AoA解决方案

安森美开发的RSL15 5.2微控制器可以通过AoA方法提供可靠的资产跟踪。该项目由两个独立的部分组成：
        监听器：ble_Scanner_DF_定位板上运行的多个应用程序。
        广播器：在标签板上运行的ble_Advertiser_DF应用程序。

监听器和广播器的无线核心是安森美的RSL15 5.2系统芯片。或者，基于相同安森美产品的更集成的解决方案是Murata的System in Package 2EG设备（图9）。

监听器项目负责接收广播标签发送的CTE信号，从中获得IQ样本。
这些样本被发送到PC或云上运行的应用程序，以计算监听器和广播器之间的角度。最后，将计算出的角度转换为笛卡尔坐标，并映射到二维或三维。


图9：从蓝牙LE标签到实时位置数据的完整端到端解决方案

上述两个应用程序的示例代码都可以在安森美 CMSIS包中免费获得，该包可以从安森美网站下载（图10）。


图10：连接和无连接模式的安森美代码示例

每个人都可以下载并使用安森美功率估算器工具来验证使用哪些通信参数和方案，并最大限度地延长电池寿命。这为预期的系统性能和限制提供了宝贵的理论参考（图11）。


图11:安森美电池寿命估算器和测向指标

CoreHW设计并提供多种尺寸的天线阵列板，可实现厘米级的卓越定位精度。这些可立即投入生产的天线板的频率范围为 2400-2483 MHz，最多有 16 个单端天线端口（图 12）。


图12: 安森美 RSL15 EVB 位于 coreHW 定位器内部

天线包含用于天线选择的CHW1010 SP16T蓝牙AoA和AoD天线开关，以及用于射频和数字控制信号的连接器，以便于连接BLE SoC控制板（图13）。


图13：核心硬件天线阵列

Unikie 的低功耗蓝牙定位引擎专为实时跟踪低功耗蓝牙标签而设计。生成的数据可以在边缘服务器或云端处理，确保灵活性和成本效益（图 14）。此外，该引擎的 API 有助于与企业系统无缝集成，支持复杂的数据建模。这使得人们能够更深入地了解物料流转、利用率和行为模式，标志着基于位置的服务和资产管理取得了显著进展。


图14：Unikie的定位应用软件引擎

结论 – RSL15 解决方案如何帮助解决行业挑战？该解决方案有何不同？

成功采用蓝牙测向技术的关键先决条件仍然是标签设备的使用寿命和成本。在安森美，我们将蓝牙 SoC 视为朝着这一目标迈出的一大步，我们始终专注于以合理的成本向市场提供一流的超低功耗无线技术。

我们共同致力于分享有关此类系统实施的知识，使我们的客户更轻松地进行开发，并帮助消除人们与这项变革性技术之间的差距，以便在日常生活中充分利用该技术。

参考文献
1) 蓝牙核心规范 5.1 核心规范 | Bluetooth技术网站
2) 蓝牙低功耗到达角定位解决方案 – 标签、接收器、天线、固件、应用软件 Bluetooth技术网站
3) AND90234 - 开发定位系统 (onsemi.cn)
4) 基于BLE的实时定位解决方案-Unikie
5) CHW1010-ANT1_Product_Brief_v1.5.pdf (corehw.com)
6) 室内定位系统和室内跟踪 | CoreHW
7) 蓝牙通道探测 - 迈向10 厘米测距精度的安全访问、数字密钥和邻近蓝牙服务| Bluetooth技术网站
8) AoA 和 AoD 如何改变蓝牙定位服务的方向 | Bluetooth技术网站
9) onsemi。“使用物联网资产跟踪技术实现个人安全应用和社交距离”2021 年 8 月 - 第 1 版
10) 4 Martin Woolley，“蓝牙测向，技术概述”，2021 年 2 月 22 日