传统蓝牙以解决音频流和点对点数据传输为大家熟知。二十年来，为了应对新兴市场，蓝牙社区不断补强技术，增加新功能。
2017年推出的mesh为智能楼宇、家居、工厂内铺设大规模设备控制网络铺平了道路；此后，在其定位信标（beacon）快速增长的背景下，蓝牙组织在第四个领域即室内定位和位置服务方面开始发力，于2019年在5.1规范中正式发布了讨论许久的利用到达角（angle-of-arrival [AoA]）进行亚米级室内定位的寻向功能。
室内精确定位的需求
当前在生产和管理中通过场景信息的数字化，来提高运营效率已经成为物联网背景下的大趋势。越来越多的行业迫切需要获取人和“物”在室内的准确位置信息。
例如在零售等行业中，基于室内定位技术的应用程序，可以在顾客进入商店时利用顾客位置进行准确的广告自动投放，还可以引导顾客去往他们感兴趣的商品所在的区域，这些基于位置的服务可以帮助零售企业减少雇员数量，降低成本，实现增长。
而在制造业中，了解物料、工具和人员的位置，则有助于大幅度提高生产效率，保证产品质量和员工安全。
实际上，当前室内定位技术在医疗保健，执法，体育和大量其他行业中也越来越引起关注和重视。据预测，蓝牙定位服务可能会成为未来5年增长最快的蓝牙解决方案领域[1]。
已有的一些室内定位技术
谈到定位技术大家很容易想到GPS，但是GPS信号因为在室内容易被遮挡而无法使用。能够用于室内定位的射频技术除了AoA以外还包括：基于信号强度（RSSI）的蓝牙信标，基于超宽带信号空中飞行时间的802.15.4a IR-UWB，以及蓝牙组织内部正在讨论的相位测距技术PDE。
其中，蓝牙信标在低密度布设的情况下难以实现高精度，原因是RSSI对多径，天线增益和极化非常敏感。
UWB被认为是室内环境下最有效的对抗多径的定位技术，然而，较之蓝牙，UWB在功耗，成本，市场推广和满足不同定位精度需求的灵活性等方面还有较大差距。UWB正在试图成为智能手机标配的道路上艰难前行，目前来看某些金属分布密集并对定位稳定性要求极高的工业或少数消费环境，可能才是UWB发挥优势的舞台。
至于将来可能会问世的蓝牙PDE，目前尚未见到较为成熟的私有产品，这一点与AoA不同。AoA相关的理论研究和在军事、通信等领域的应用已经有四五十年的历史[2]，其向室内物联网领域的推广非常值得期待。
AoA室内定位技术
计算AoA的基本原理非常简单，而且说起来还是人和很多动物的一项基本技能。如图1所示，电磁波沿着角度θ到达由天线1和2组成的阵列，角度θ就是这里一直讲的到达角（AoA）。如果两个天线之间的距离d已知，并且测量得到两个天线在同一时刻接收的信号的相位之差Ψ，到达角θ可按照如下的公式计算：
其中，λ是电磁波的波长。如果把两个天线想象成人的双耳，把电磁波换成声音（见图 2），就不难理解为什么人会有寻声的本领了。
图1. AoA计算的基本原理 图2. 人耳的寻向技能
现实系统中为了增强系统的测向精度和面对复杂多径环境的稳定性，如图3所示前端通常包含更多天线，后续数据处理算法会充分利用多个天线收集的信息，计算出稳定的AoA和相应位置。
图3. 均匀圆阵
实际上利用图3中的圆阵，可以同时计算方位角θ和俯仰角φ。利用这两个角度并且假设被定位标签位于天线阵列下方固定高度的平面内，则标签的位置可以被唯一确定，见图 4。这也是通常推荐的AoA室内定位系统的布设方式。
图4. 单天线阵列定位
一个常被问到的问题是蓝牙芯片如何与多个天线连接。如图 5所示，单个蓝牙芯片需要通过射频开关矩阵来实现与天线阵列的互联。
图5. 单蓝牙芯片与多天线的互联
标签发射含有正弦波信号的数据包，接收端蓝牙芯片通过IO引脚控制片外射频开关，按照固定间隔和一定规律选通每个天线，每次天线切换完毕芯片内部完成正交信号（IQ）采样。每个IQ采样对应一个复数，来自不同天线的复数数据，则包含了上面公式中的相位差Ψ的信息。最终，包括IQ采样和控制信息在内的数据会被传到处理引擎进行AoA和位置计算。
QN9080实现AoA测向功能
恩智浦蓝牙5.0标准芯片QN9080，通过针对AoA测向功能的特殊硬件设计，实现了天线切换规律的灵活配置，以及天线切换和信号采样之间精确的时序控制，同时结合高性能的模拟和基带处理设计，保证了IQ采样的完整性和算法需求。
此外，QN9080提供500Ksps和250Ksps两种采样率选项，来满足不同的用户需要。较之用纯软件实现数据采集，特殊的硬件设计可以大大简化固件设计，用户只需要进行简单的配置即可得到采样数据。
除了面向AoA功能的芯片设计以外, 恩智浦正着力开发包括天线阵列和数据处理软件在内的完整方案。目前已经开发出基于QN9080的AoA室内定位演示系统，见图6和文末的演示视频。
图 6 QN9080 AoA室内定位演示系统
随着将来5.1芯片的推出，我们将为客户提供符合蓝牙5.1标准的AoA高精度定位解决方案。用户可以在此基础上进行方便、快捷的应用开发，来满足各类室内定位市场快速增长的需求。
参考文献： [2] H. Krim, M. Viberg. Two decades of array signal processing research. IEEE Signal Processing Magzine. July, 1996.
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发表于 2019-7-1 09:09:02
沉默卡
照妖镜
发表于 2019-7-23 22:14:53
