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藍牙 5.1 – 為什麼我們需要準確的定位和定向?

By Eve Danel

August 9, 2021

本部落格作者是 LitePoint Eve Danel 在本文中,您將瞭解最新的藍牙規範和藍牙 5.1 的全新測試要求。

藍牙 5.1 – 為什麼我們需要準確的定位和定向?

2010年,藍牙低功耗(Bluetooth LE)技術隨藍牙 4.0 標準一同推出。 與十分經典的前幾代藍牙相比,Bluetooth LE 支援以更低的功耗運行,從而延長了主機設備的電池壽命。  2016年,藍牙 5 標準推出,不但將數據速率翻倍,還擴大了工作範圍。  2019年,藍牙 5.1 發佈,增加了支援位置跟蹤應用的定向增強功能。

藍牙 5.1 用例

借助藍牙 5.1 中的定向增強功能,這項技術可以在室內工作時提供類似 GPS 的定位功能。 此類技術的應用範圍十分廣泛,包括資產跟蹤、定位建築物中的人員、室內定向和物體跟蹤等。 這種豐富的用例可應用於幾乎所有垂直領域市場,包括工業、醫療、零售、酒店、企業、家庭和交通。

基於 RSSI 的接近感應

在使用藍牙信標實現接近感應方面,藍牙已經是一種常見技術。 在這種方法中,定位器使用接收到信號強度指標(RSSI) 值來估算距離,該值表示在定位器接收器上測得的信號強度。  RSSI 用於估算發射器和接收器之間的距離。 知道發射器的功率后,就可以通過測量信號衰減來估算物品的位置。

圖 1:基於 RSSI 的方法

RSSI 只能粗略地估算距離,因為此方法容易受到環境的影響。 發射器和接收器之間的障礙物(例如一群人)會顯著增加信號衰減,從而降低距離估算的精度。 此外,RSSI 方法只能檢測到設備位於接收器周圍圓形區域的某處(如上面的圖 1 所示),因為它不提供有關位置的任何附加資訊。 通過部署多個定位器並使用信號三邊測量,可以更準確地定位設備,但也會增加系統的複雜性。

通過AOA和AOD提高精度

藍牙 5.1 通過提供到達角 (AoA) 和離開角 (AoD) 資訊來提高 RSSI 方法的精度。

AoA設計用於資產跟蹤等應用,其中移動的AoA 發射器(例如手機)使用單個天線發送藍牙 LE 定向信號,而固定的 AoA 接收器(例如安裝在天花板上)配備至少有兩個天線的天線陣列。 該天線陣列用於通過使用天線之間的相位差來確定發射器的方向。 可根據信號的波長、天線之間的距離和接收信號的相位來確定到達角。

圖2:AoA 方法

AoD設計用於室內導航尋路等應用。  AoD 接收器(例如電話)接收由固定 AoD 發射器(例如安裝在天花板上)發射的定向信號,該發射器配備最少有兩個天線的天線陣列。 與 AOA 一樣,通過使用信號的相位資訊來確定角度。

圖3:AoD 方法

藍牙 5.1 定頻擴展信號 (CTE)

要啟用AoA 和 AoD,必須測量信號的相位。 針對定向,藍牙 5.1核心規範增加了一個定頻擴展 (CTE) 欄位,該字段是一個位序列,持續時間在 16 微秒到 160 微秒之間。 只有以 1 Mbps 的速率(強制速率,也可選擇 2 Mbps)運行的藍牙 LE 支援 CTE。  CTE 欄位包含一系列經過調製的 1 位,必須使用恆定波長以一種頻率發射,以便測量接收信號的相位。 因此,信號不受白化的影響,白化是一種對信號進行加擾以確保不會出現長串 1 或 0 的過程。

圖 4:CTE

成功引入定位服務技術的關鍵是位置測量的精度。 藍牙 5.1 的目標是提供亞米級的精度。 驗證解決方案在確保系統性能方面發揮著重要作用。

如何測試藍牙 5.1?

藍牙SIG 更新了藍牙 PHY 測試規範,其中包含對這些全新定向功能的驗證。 為 AoA 和 AoD 方法的發射器和接收器測試增加了新的測試用例,支援 1 Mbps 和 2 Mbps 藍牙數據速率的各種組合,以及標準中支援的 1 微秒及 2 微秒切換和採樣時間。 總體而言,PHY 測試中增加了 23 個全新測試用例,可涵蓋 AoA 和 AoD。

CTE 是藍牙的新概念,測試用例旨在確保它可由發射器正確生成。 在接收器端,務必確保接收器 CTE 的 IQ 測量值可用於準確推匯出信號的相位。

圖5:完整的 AoA 和 AoD 測試設定

圖5給出了 AoA 和 AoD 發射器和接收器測試的完整測試設置。  LitePoint 的 IQxel-MW 7G 支援新的定向測試案例。 此外,LitePoint還提供 IQfact+ 套件,可為領先的藍牙 5.1 晶片組提供完全自動化的 DUT 和測試儀控制。

AoA 發射器與接收器測試

在 AoA 發射器(通常是行動裝置)中,設備只有一個天線,並且 PDU 結束時無需開關即可連續發射 CTE 字段。 測試儀會在接收信號上驗證 CTE 信號的最大峰值功率和平均功率,以及這些已發送信號的載波頻率偏移和載波漂移。

AoA接收器更為複雜,因為它有多個天線和一個開關,因此當接收到測試儀發送的 CTE 信號時,接收器會按照預定的模式在陣列中的多個天線之間切換。 切換時間為標準中定義的 1 微秒或 2 微秒。 此外,DUT還會在標準中定義的 1 微秒或 2 微秒已分配採樣時隙期間對接收到的 CTE 進行採樣。  DUT 獲取的 IQ 樣本會發送到測試儀進行分析,以確保相位測量符合規範。

AoD 接收器和發射器測試

AoD接收器(具有單天線的行動裝置)需要在正確的採樣時隙對接收到的 CTE 信號進行採樣。 為了驗證這一點,DUT 獲取的 IQ 樣本會發送到測試儀進行處理和分析。 與 AoA 接收器測試一樣,該測試驗證從採樣得出的相位值是否符合規範。

AoD 發射器設備的天線陣列至少有兩個天線,因此發射器測試會驗證天線切換是否發生在 CTE 的正確已分配時隙期間以及天線陣列內的切換模式是否正確。

有關LitePoint 的藍牙 5.1 測試解決方案的更多資訊,請存取 IQxel-MW 7G IQfact+ 頁面。

有關更多資訊,請下載有關測試 BT 5.1 的應用筆記或有關該主題的網路研討會重播

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