为什么蓝牙信道探测技术将引领高精度定位服务？

时间： 2024-04-12 来源：信驰达微信公众号

技术问答

从蓝牙耳机到智能家居设备，蓝牙技术因其成熟的音频流和数据传输功能已成为我们生活中的一部分。一项新技术——蓝牙信道探测（Bluetooth Channel Sounding）正向高精度定位服务市场迈进。

本文信驰达（RF-star）将介绍蓝牙信道探测技术定义、工作原理、在定位服务中的优势、以及Channel Sounding的主要应用场景。最后，我们还将为您介绍蓝牙信道探测技术与UWB超宽带技术的混合解决方案在高精度定位服务领域的应用。

蓝牙信道探测是什么

蓝牙信道探测，英文全称为：Bluetooth Channel Sounding, 先前被称为高精度距离测量（High-Accuracy Distance Measurement），它是一种计算两个低功耗蓝牙设备之间精准距离和定位的新技术。该技术是利用多个信道上的相位测距（Phase-Based Ranging）来获得准确的距离测量。

蓝牙信道探测工作原理

如图1所示，当使用信道探测测算距离时，设备A启动程序(initiator)，设备B在不修改相位的情况下重复信号传输(reflector)。设备A向设备B发送无线信号，然后设备B测量这个信号的相位，并以相同的相位将其传回设备A。随后，设备A评估所发送和接收的无线信号之间的相位差异，来精确估计两个蓝牙设备之间的距离。为了提高测量精度，这个过程会在不同的信道频率上重复多次，因此蓝牙设备可以利用相位数据精确地估算出距离。

图1 蓝牙信道探测技术定位原理

蓝牙信道探测技术优点

1、高达10厘米的测距精度

尽管现有的蓝牙测距技术（如RSSI，AoA和AoD）仍然有其实用价值，但它们在测距精度方面可能无法满足更具挑战性的应用场景。

接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator），简称RSSI，是最原始的蓝牙测距技术。它是根据两个设备之间信号强度在传输距离中的衰减程度进行距离估算。但是，RSSI的定位精度只有3~5米左右。此外，RSSI容易受到外部因素干扰，比如吸收和衍射。后来，更先进的距离定位测量技术诞生了——到达角（AoA）和出发角（AoD）。AoA和AoD不直接估算距离，而是利用三角定位法从发出或接收无线信号的角度进行距离测量。AoA和AoD可以实现亚米级的精度。然而，由于周围环境的影响，其测量精度仍可能有较大波动。例如，在有大量障碍物和反射面的室内空间中，多径传播可能会影响测量的精确性。与先前的蓝牙测距技术不同的是，蓝牙信道探测是基于相位测距（PBR）的，其精度可高达10厘米。即使蓝牙设备处于比较复杂的室内环境中，Channel Sounding也比RSSI、AoA/AoD能够提供更准确的位置信息。

2、高安全——防中继攻击

RSSI除了精度低之外，还存在安全风险。其信号容易受中继攻击侵扰，可能导致一些高安全性要求的方案中出现漏洞。例如，在PEPS系统中，攻击者可能会增强RSSI信号强度，通过中继手段欺骗系统认为数字钥匙位于附近。这些漏洞使RSSI不适用于高安全性的应用。

而蓝牙信道探测基于相位的测距算法可以防止中继攻击。此外，蓝牙信道探测的链路层处理了广播、扫描、连接管理、异步和常时等量数据通信以及数据加密等过程。因此，蓝牙信道探测功能在车辆安全进入、门禁控制、数字钥匙等高安全性应用中表现突出。

3、低成本定位解决方案

AoA和AoD需要蓝牙天线阵列才能获得比较准确的测量结果，这无疑会增加整体项目成本。

超宽带（UWB）是另一种高精度定位技术，可以达到厘米级的精度。但是，要使用UWB需要为无线设备添加新的芯片，而且相比低功耗蓝牙技术，UWB的功耗更高，所以增加了成本预算和技术复杂性。

不难看出，利用信道探测的单天线低功耗蓝牙方案比UWB解决方案更具有成本效益。

4、易集成 & 互操作

蓝牙信道探测是通过现有的蓝牙技术引入的，很容易集成到已有基础设施和设备中。这意味着企业和开发者将能够快速获得一种安全、低成本且高精度的定位解决方案，而无需增加额外的芯片。

总的来说，具有更高的准确性、安全性和灵活性的蓝牙信道探测功能为许多应用提供了更有竞争力的解决方案。那么，蓝牙信道探测技术有哪些主要的应用场景？

高精度测距定位应用

►室内导航：在大型购物中心，信道探测与其他新的蓝牙技术，如电子货架标签（ESL）协议的结合可以彻底改变室内导航体验，为用户提供精确的方向和实时更新的数据。

►资产跟踪：工业和仓储的资产跟踪系统中已广泛使用基于低功耗蓝牙的定位服务。开发者可以利用信道探测功能提升资产跟踪的定位精度。这不仅有助于防止丢失或盗窃，还能简化库存管理流程，提高运营效率。此外，它为一些更具挑战性的系统提供了先进的功能，比如专业体育运动的实时追踪。

►汽车数字钥匙：与依赖接收信号强度指示进行距离估算的旧系统相比，利用信道探测测距定位的无钥匙方案准确性更高。这让汽车制造商不仅能够满足精确度的标准，同时还能减少车辆上的蓝牙天线数量。因此，汽车数字钥匙总成本也随之降低。此外，信道探测的安全性能也能有效防止对无钥匙进入系统的各种攻击。

总结

总之，与先前的蓝牙定位技术相比，高安全、高精度、低功耗和低成本使蓝牙信道探测非常适用于工业、仓储和消费者资产跟踪、ESL系统、实时体育/健身追踪以及汽车数字钥匙等应用。

目前，德州仪器（TI）正与蓝牙联盟（SIG）通力合作，推动蓝牙信道探测技术规范的制定。TI CC2340R5系列低功耗蓝牙芯片未来将全面支持这一创新技术。

作为全球领先的低功耗蓝牙（BLE）解决方案提供商，TI中国第三方IDH，信驰达（RF-star）一直致力于低功耗蓝牙技术在国内的推广和应用。基于TI CC2340R5芯片多款蓝牙模块也将支持信道探测功能，未来更新SDK即可支持。信驰达的低功耗蓝牙方案将为物联网、工业和汽车应用提供高精度、高安全、低成本的测距定位服务。

未来，基于蓝牙信道探测解决方案将在高精度定位服务中扮演重要角色。它可能不会完全替代UWB等其他定位测距技术，而是会与多种测距技术结合，形成混合解决方案被广泛应用。

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