使用全新信道探测开发套件实现亚米级的测距与定位精度
作者：Parker Dorris，芯科科技蓝牙高级产品经理
当蓝牙信道探测被纳入蓝牙核心规范6.0的一部分时，蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）提出了在大多数场景下实现0.5米目标测距与定位精度的要求。这一精度目标带来了一个挑战，因为在大多数情况下，如果不使用多个天线，要可靠地达到0.5米精度是很困难的，甚至是不可能的。设备与设备之间的相对方位、人体、环境中的障碍物以及多径干扰，这些因素共同作用限制了利用蓝牙信道探测进行单天线测距的可靠性。
蓝牙信道探测是一个双向测距过程，发起方和反射方会依次发送和接收音调（tone）及数据包，这一事实使得上述挑战变得更加艰巨。两端在功能上相当对称，尤其是与蓝牙测向（Direction Finding）技术相比时更是如此，因为蓝牙测向技术在两个端点之间定义了多种功能和天线要求方面的不对称性。由于蓝牙信道探测具有对称性，因此两个通信端点都必须了解彼此的天线功能和切换模式，以便准确采集数据、进行分析并确定相对距离。
如同任何新功能一样，蓝牙信道探测的目标在于实现互操作性。将解决方案标准化，使其在手机与手机之间、设备与设备之间能够“即插即用”，这为产品设计人员提供了他们在全球范围内进行产品部署所需的保障。要通过多个天线实现这种“即插即用”功能，唯一的方法是将天线的使用方式与蓝牙信道探测的其他流程一同进行标准化。
尽管这项技术的其他方面被认为处于领先地位且具有开创性，但对于蓝牙信道探测而言，在可控范围内实现天线切换的灵活标准化同样至关重要。这一特性确保了蓝牙信道探测能够兑现其在实现稳健精度的同时最大化互操作性的承诺。
为何应该设计配备多个天线的产品
当两个无线设备的天线调谐到同一频率，并且其电路板之间视线通畅和/或具备足够的功率以穿透环境中的所有材质和干扰源进行信号接收时，这两个设备之间的通信效果最为理想。墙壁以及包括人体、地板、天花板在内的障碍物，还有其他射频信号，都可能对两个天线之间的通信能力产生不利影响。
此外，天线之间的相对朝向也可能引发问题。在配备可移动、电池供电的物联网（IoT）设备的环境中，设备A的天线相对于设备B的天线的朝向是无法控制或预测的。不幸的是，某些朝向会产生与频率相关的零值点，并导致信号幅度严重衰减。如果两台物联网设备相互之间的摆放角度和距离恰好处于某种情况，它们将无法进行通信。
在基于低功耗蓝牙（Bluetooth LE）连接的异步连接导向逻辑（ACL）传输通信中，这些零值点往往会导致数据包重传，甚至可能造成连接中断。在蓝牙信道探测中，其影响可能更为微妙。来自PBR测量的IQ数据会出现相位信息失真的情况，这会在距离估计算法中引入误差。
拥有多个天线朝向的设备能够从不同的天线朝向，针对同一信道交换基于相位的数据，这增加了获取描述该信道的无失真IQ数据的可能性。
无失真的IQ数据能够实现高度精确的距离估算，从而带来更优质的终端解决方案。
在蓝牙信道探测设计中，设计方案始终都应考虑添加第二根天线。正如我们的天线指南文档中所显示的，即使在外形尺寸受限的情况下，添加第二根天线也是可行的。EFR32xG24蓝牙信道探测开发板提供了一个基于最佳实践的设计示例，在不到33 x 33毫米的外形尺寸下支持两根天线。其外形尺寸本身比最终产品要大，因为蓝牙信道探测开发板在板上配备了完整的调试电路。
在下文中将会进一步探讨这款开发板，现在来讨论一下核心规范6.0究竟是如何将使用多根天线进行标准化的。
信道探测天线切换的工作原理
在天线切换方面，蓝牙核心规范6.0标准化了三种基本方式。
• 功能交换
• 模式2（Mode 2）基于相位的测距操作
• IQ数据结构交换
在功能交换过程中，连接中的外围设备会对一个请求做出响应，表明它能够使用的天线最大数量，以及它能够支持的天线路径数量。天线路径正如其字面意思那样：即电路板A的天线与电路板B的天线进行通信所经过的路径。由于电路板设计或内存限制，一些设备可能无法支持多个天线路径。
在流程开始之前，控制器会选择一种配置，并将其传达给反射方，以便双方能相互了解天线路径数量和天线配置情况。
在使用模式2基于相位测距的蓝牙信道探测步骤中，发起方会按照反射方已知的模式，通过每个天线路径在信道上发送音调信号。然后，反射方会在相同的信道上，沿着相同的天线路径顺序发送音调信号。
在发起方运行的蓝牙信道探测算法会保存该信道上所有特定于天线路径的IQ数据，但在得出距离之前，它还需要反射方对应的IQ数据。
在从反射方向发起方返回数据的过程中（该过程通过LE ACL连接实现），IQ数据需要按照预定义的数据结构进行传输。该数据结构也被定义为测距配置文件的一部分，该配置文件在核心规范更新几个月后被采用。
Silicon Labs（芯科科技）通过运行在EFR32 xG24上的蓝牙信道探测解决方案，支持上述所有功能。我们的蓝牙协议栈已通过认证，符合核心规范6.0的要求，并且我们对测距配置文件的实施已具备认证条件。所有这些功能都可以使用BRD2606进行评估。
那些只有一根天线的设计又如何呢？
并非所有的设计都能遵循每一项设计最佳实践。电路板或成本方面的限制可能会迫使一项设计只能使用单根天线。距离估计算法的可靠性可能会降低，但即便如此，这些设备仍然符合蓝牙信道探测的条件。在仅使用一条天线路径的情况下运行，即设备A和设备B都仅有一条天线路径，这仍然是一个可行的设计选择。
下面的测试是在办公室环境中进行的，这种环境会产生反射和多径干扰。测试是使用BRD2606进行的，但每个开发板仅使用一根天线，从而形成一条天线路径。
在这八次测试运行中，两块开发板相距11米，并且其中一块开发板进行了旋转，以使两块开发板上的天线处于同极化或交叉极化状态。
在这项测试中，交叉极化天线表现出了最佳效果，测量误差通常在+/-2米以内。同极化天线的表现更差，大多数结果显示误差在+/-3米或更大。
请注意，这种性能仍然远比尝试使用RSSI来测量距离可靠得多，在蓝牙信道探测被采用之前，RSSI是唯一可用的标准化距离估算方法。
如下图所示，当启用2606开发板上的两根天线，形成最多4条天线路径时，测量结果会可靠得多，大多数测量的误差都能很好地控制在1米以内。请注意，在这些测试中，同极化测试案例是使用两块处于相同水平方向的BRD2606开发板进行的，而交叉极化测试则是在一块开发板垂直放置、另一块开发板水平放置的情况下执行的。
至少有一个设备支持双天线的设计方案
蓝牙信道探测的许多应用往往遵循“定位器（Locator）”/“标签（Tag）”模式。在这些情况下，定位器端通常是固定不动的，且尺寸较大，但可能会面临设备共存方面的挑战，以及与其他天线在电路板空间占用上的竞争问题。
标签端很可能是可移动的，其大小可能被限制到甚至比钥匙扣的外形尺寸还要小，这使得它难以支持双天线。对于这些情况，我们认为在固定的“定位器”端支持两根或更多天线至少还是有些好处的。
下面的图表展示了三组数据集，这些数据是通过旋转一块仅激活单根天线的BRD2606开发板收集而来的，该开发板与另一块激活了两根天线的2606开发板相距10米。在一块开发板旋转时所估算的大多数距离中，我们看到误差约在+/- 1米左右，但也存在一些明显的异常值。
虽然这看起来可能令人担忧，但重要的是，对于特定的应用，始终要考虑达到何种程度的可靠性和准确性才算足够好。例如，用于在仓库空间内追踪一个面积为2-4平方米智能货盘的追踪器，可能不需要与汽车的无钥匙进入和无钥匙启动应用相同级别的精度。
通过启用第二块开发板上的第二根天线，形成四条天线路径，可使性能得到以下的显著提升，三次测试运行的所有结果的精度都在0.5米以内。
那为什么不始终使用四条天线路径？
如上述结果和其他测试所示，无论开发板的摆放方向和环境状况如何，四条天线路径都能更可靠地提供准确的数据。
然而在某些情况下，使用四条天线路径是不可行的。如前一部分所述，电路板的限制因素可能会限制设计方案所能使用的天线数量。其他因素包括对能耗和更新速率的限制，或者对RF信号占空时间的考量。
使用多根天线会增加在信道探测的所有三个阶段所花费的时间：
• 在PBR测距过程中，随着更多天线路径被启用，多天线支持会增加每个步骤的持续时间。
• 在将IQ数据从反射方传输到主机的过程中，多条天线路径的IQ数据会增大通过LE ACL传输的数据结构的大小。
• 在处理过程中，由多条天线路径生成的数据会导致距离估算算法的执行时间呈指数增长。
下表显示了更新速率以及距离估算算法（SiSDK中的24Q4-GA）的执行时间，这些数据是所使用天线数量的函数。我们还改变了信道间隔设置，使其在1 MHz间隔（72个信道）和2 MHz间隔（37个信道）之间变化，以便展示除了天线数量之外，其他因素是如何对更新速率和处理时间产生显著影响的。
BRD2606蓝牙信道探测评估平台简介
本文中的所有测试均使用BRD2606蓝牙信道探测开发套件来完成，因为它是一个功能极为多样的蓝牙信道探测评估平台。同时还考虑以下关键特性：
• 实施双天线支持的最佳实践，遵循所有已发布的指南。
• 可选择使用纽扣电池供电。
• 小封装适合用于原型设计，并且便于在空间受限的环境中进行安装。
• 通过板载电路提供板载调试和终端输出功能。
这些开发板特性，再加上芯科科技符合SIG标准、支持蓝牙信道探测功能的6.0协议栈，具备量产品质的发起端和反射端示例应用，诸如天线启用等高度可配置的性能特性，以及Simplicity Studio的蓝牙信道探测分析器GUI，芯科科技的开发人员以及客户便都拥有了同样强大可靠的平台，可用于实现广泛的评估。
我们将BRD2606设计成类似钥匙扣的外形规格，但这种设计同样适用于资产追踪的应用场景。对于任何具备低功耗蓝牙功能且能从某种形式的定位感知中受益的系统而言，蓝牙信道探测都是一项极具吸引力的增值功能。借助这块小巧的开发板，我们期待看到开发人员能够发掘出蓝牙信道探测的创新应用，甚至是超出蓝牙技术联盟目前所强调的应用场景范畴的新应用。
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本文中的大部分数据都来自我们的天线指南文档，我们鼓励所有刚接触蓝牙信道探测的人阅读该文档。
我们还在docs.silabs.com上提供了性能指标，以及我们蓝牙信道探测库的完整API规范。
芯科科技期待在未来的开发周期中为我们的信道探测解决方案推出新功能并加以改进。在此过程中，我们会对性能进行优化调整，通过优化射频信号空中传输时间和算法执行时间来最大限度地降低电流消耗，同时提升准确性和稳定性。
