Bluetooth® 定位和测距

Bluetooth® 定位和测距

测向和高精度测距 (HADM)

Bluetooth® 定位服务

定位服务和应用是智能手机、汽车和可穿戴设备等现代电子设备的常见功能。有时候,卫星 (GNSS) 或蜂窝网络会由于覆盖或精度不足而无法满足定位要求。这个问题在室内应用中更加明显。因此,在室内环境中通常会使用 Wi-Fi、UWB 或 Bluetooth® 等短距离技术来支持接近、安全测距、跟踪和导航功能。

如今,Bluetooth® 定位服务应用能够根据链路可用性和路径损耗估算提供接近和测距功能。这些应用还可以通过估算到达角 (AoA) 或离去角 (AoD) 来测向。Bluetooth® LE 技术不断发展,未来将引入 Bluetooth® 信道探测相位测距技术,能够进一步增强这些功能,为安全的测距应用提供支持。

目前已有多种应用采用 Bluetooth® 定位服务,例如:

  • 资产跟踪
  • 接近探测
  • 接触追踪
  • 安全访问应用

Bluetooth® Low Energy 接近和追踪服务

Bluetooth® Low Energy (LE) 接近和追踪服务借助 链路状态路径损耗估算识别周围的对等设备,并判定设备之间的距离。这种方法利用 接收信号强度指示(RSSI),该指示反映接收机端的信号强度,并据此估算设备之间的距离。

但是,RSSI 测距方法 准确性有限,而且不确定度较高,因为这种方法依赖于实际的 无线电信道行为。同时,RSSI 测距方法容易被操控。在数字密钥等安全应用场景中,这可能会带来风险。蓝牙技术联盟(Bluetooth® Special Interest Group,简称 SIG)发现了这种方法的不足之处,开发并推出了 内置安全功能的 高精度测距(HADM) 方法。

Bluetooth® 定位和测向

Bluetooth® 5.1 规范定义了 Bluetooth® LE 测向 (DF) 功能,以进一步增强 Bluetooth® 定位服务能力。该功能可以通过两种方法测定 Bluetooth® 信号的方向:

  • 到达角 (AoA) 估算:配备单个天线的 Bluetooth® 发射机发送 专门的测向信号。配备天线阵列的接收对等设备测量 相位差,进而估算相对信号方向。这种方法通常用于 资产跟踪
  • 离去角 (AoD) 估算:固定 Bluetooth® 发射机使用开关天线阵列发送 测向数据包。配备单个天线的接收设备捕获信号并测量相位差,进而估算相对信号方向。这种方法适合需要在 动态场景中获得 准确的方向信息

如要准确估算 AoA/AoD 以进行测向,这在很大程度上取决于:

  • 天线数量
  • 稳定的发射功率
  • 低频率偏差
  • 发射测向信号(LE 1M 或 LE 2M)的设备的漂移
  • 接收设备从接收信号中准确采集 I/Q 数据的能力

为了保证稳定的测向性能,Bluetooth® SIG 规定了多种测试用例和相应装置。数字处理板上的 R&S®CMW 无线通信测试平台提供 自动化测试解决方案

HADM 和 Bluetooth® 信道探测

Bluetooth® 信道探测利用相位测距 (PBR) 对两台 Bluetooth® LE 设备进行 HADM;这种功能利用不同信道所接收和发射的无线电信号之间的相移来进行测距。借助两个或多个具有不同频率的信号,这些信号之间的相位差 (Δθ) 测量值可用于准确估算距离。

  • 一台设备相当于发起者,发射带有恒音扩展 (CTE) 的数据包。
  • 另一台设备充当反射者,返回与接收信号具有相同相位的数据包,以此响应第一台设备。

这个过程确保准确可靠地估算 Bluetooth® 设备之间的距离。HADM 的典型应用包括无钥匙进入系统、室内导航和资产跟踪,未来还将出现新的用例。

Bluetooth 信道探测原理
Bluetooth® 信道探测原理

Bluetooth® SIG 正在规定相关测试用例,并重点关注信道探测信号的准确测量以及稳定的频率和相位生成。测试用例需要利用天线,因此也涉及到 天线开关完整性。考虑到设备设计对相位差和延时测量的显著影响,最好以空口 (OTA) 方式测试 AoA、AoD 和 Bluetooth® 信道探测。

Bluetooth® 信道探测和测向测试解决方案

罗德与施瓦茨测试与测量解决方案支持 Bluetooth® BR、EDR 和 LE,并符合最新的 Bluetooth® 核心规范。R&S®CMW 无线通信测试平台是一款亮眼产品,其独特之处在于支持 自动化测试 Bluetooth® 信道探测和测向。这款解决方案支持 Bluetooth® SIG 规定的测试用例,在市面上 独树一帜。测试平台还支持电台内测试控制,能够使用 OTA 装置对 Bluetooth® LE 设备进行 类似于 DTM 的测试,简化了测试流程。

罗德与施瓦茨的所有重要设备(包括信号发生器和分析仪)均集成了 Bluetooth® 测试功能。这些设备一体化集成多种测试功能,不仅支持 Bluetooth®,还支持其他非蜂窝和蜂窝标准。

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使用 R&S®CMW 和 R&S®CMWrun 的 Bluetooth® Low Energy 信道探测物理层验证装置
使用 R&S®CMW 和 R&S®CMWrun 的 Bluetooth® Low Energy 信道探测物理层验证装置

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