使用支援藍牙 5.1 的平台實作精確的資產追蹤和室內定位 - 第 1 篇

編者說明：此系列文章分為兩篇，第 1 篇介紹藍牙 5.1 的測向能力。這是低功耗藍牙韌體的附加功能，可讓設計人員開發到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 型定位應用，例如資產追蹤和室內定位系統 (IPS)。接著，還會介紹適合執行新功能的平台。第 2 篇則說明如何開發藍牙 5.1 測向型應用，以及如何開始使用這些平台。

物流公司希望透過即時追蹤資產來改善供應鏈效率，企業希望透過監看員工和顧客的動態來提升生產力。在這兩種趨勢下，對定位服務的需求便日漸增加。即使藍牙的接收訊號強度指標 (RSSI) 能用來估計與已知固定點之間的距離，但是對於室內定位系統 (IPS) 和資產追蹤等應用來說，這個技術往往還不夠精確。不過，藍牙規格的更新可讓定位變得更精確。

具體來說，最新版的藍牙核心規格 (v5.1) (以「藍牙 5.1 測向」名稱發佈) 增添了到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 測向功能，能讓開發人員更容易準確地判斷藍牙發射器在二維或三維中的位置。

本文是兩篇系列文章的第一篇，將介紹 AoA 和 AoD 技術，並解釋加強藍牙核心規格如何讓這些技術更容易實作。然後將介紹可用來實作測向應用的平台。

RF 測向技術

以 RSSI 為基礎的射頻 (RF) 測向功能，可依據訊號強度提供距離估算。若要達到更好的準確度，可從不同點進行多次距離測量。RSSI 的主要優勢在於每個裝置僅需一個天線，因此消除天線陣列帶來的複雜性、成本與尺寸問題。其缺點則在於缺乏精密度，僅提供 3 m 至 5 m 的準確度。

第二種常用的測向技術稱為到達時間 (ToA)，這是無線電訊號從單一發射器傳到遠端單一接收器當中的行進時間。同樣的，採用這個方法，每個裝置僅需一個天線，但是缺點則是每個裝置都需要攜帶高準確度的同步時脈。ToA 系統的定位準確度可達 1 m。

隨著藍牙 5.1 規格的發佈，藍牙技術聯盟 (SIG) 選擇支援以 AoA 和 AoD 為基礎的第三種測向技術。

使用 AoA 技術時，接收裝置會追蹤個別物件的到達角；而使用 AoD 技術時，接收裝置則會利用多個信標發來的角度及其位置，計算自己在空間中的位置 (圖 1)。

圖 1：在 AoA 測向方法 (左) 中，資產會將其位置廣播 (TX) 至 AoA 定位器，以測量訊號的到達角。而在 AoD 測向方法 (右) 中，信標會發射 AoD 資訊，同時行動裝置會接收 (RX) 信標訊號並計算位置。在兩個例子裡，接收裝置都需要有計算能力，才能計算發射器的方向。(圖片來源：Silicon Labs)

藍牙 5.1 能夠納入測向功能，一部份是因為一些企業公司的影響力。這些公司紛紛為低功耗藍牙 (BLE) 產品提供了自行研發的 AoA 和 AoD 解決方案。藍牙 5.1 更新了核心規格，能更容易地從 BLE 封包中擷取「IQ」訊號資料 (同相與正交相位資訊)，從而讓開發人員能夠更輕鬆地利用 RF 測向功能。而這又使開發人員更容易實作定位服務應用。

舉例來說，AoA 方法適合追蹤發射訊號的 BLE 收發器。收發器使用單一天線發送可測向封包，而這些封包由多天線的「定位器」接收。定位器會對來自訊號封包的 IQ 資料進行採樣，同時切換陣列中的每個主動式天線；如此一來，便能偵測因陣列中各天線與該單一發射天線的距離差，所造成的訊號相位差。定位引擎隨即使用該相位差資訊，確定所接收訊號的角度，繼而得到發射器的方向 (圖 2)。

圖 2：如果已知每個天線的訊號相位 (θ)、波長 (λ) 以及相鄰天線的間距，則可計算出無線電訊號的到達角。(圖片來源：藍牙技術聯盟)

結合從兩個或更多定位器計算而來的訊號方向，便能精確定位發射器的位置 (圖 3)。

圖 3：透過計算兩個固定型定位器的訊號 AoA，便能計算出發射資產的三維位置。如果已知定位器的絕對座標，則還能計算出發射資產的絕對座標。(圖片來源：Silicon Labs)

AoD 方法的情形則完全相反。在此場景中，擁有天線陣列的裝置會透過各自的天線發送訊號。當陣列中的天線所發出的每個訊號封包抵達接收器的單一天線時，由於訊號從發射器發出後所行進的距離不同，該訊號會與前一個訊號產生移相的現象 (圖 4)。

圖 4：若使用 AoD 方法，當陣列中的天線所發出的每個訊號封包抵達接收器的單一天線時，由於訊號從發射器發出後所行進的距離不同，該訊號會與前一個訊號產生移相的現象。(圖片來源：藍牙技術聯盟)

接收裝置的天線會從訊號封包取得 IQ 樣本，並將其轉發到定位引擎，隨後定位引擎使用該資料確定所收到訊號的角度，繼而得到發射器的方向。這個系統適用於室內導覽等應用，其中發射器是固定的參考點，而接收器則是消費者的智慧型手機或類似的裝置。

藍牙 5.1 的更新

藍牙 5.1 要求對 RF 軟體協定 (或稱「堆疊」) 進行修訂，並對某些硬體 (無線電) 進行功能強化 (視晶片製造商而定)。首先，修訂的協定將固定頻率擴展訊號 (CTE) 新增至任何用於測向的藍牙封包。(封包未經修改，因此可用於標準的 BLE 通訊。)

CTE 是一種未調變的頻率訊號，以藍牙載波頻率加上 250 kHz 的頻率傳輸達 16 至 160 µs 的時間；若使用 BLE 更高的傳輸量模式時，有時會加上 500 kHz。此訊號包含一個由「1」組成的「未白化」序列，發射時間的長度足以讓接收器擷取 IQ 資料，而不會破壞調變。由於 CTE 訊號是最後發射的，所以封包的循環冗餘檢查 (CRC) 不受影響。

此規格的第二個重要補充，可讓開發人員更輕鬆地配置執行 IQ 採樣的協定。該配置包括設定採樣計時及天線切換，這對定位估算的精密度極為重要。

雖然可使用各種 IQ 採樣計時配置，但在每個天線的參考期間內，IQ 採樣通常是每隔 1 或 2 µs 記錄一次，並將結果記錄在 BLE SoC 的隨機存取記憶體 (RAM) 中。圖 5 顯示當陣列中的不同天線採樣接收的訊號時，訊號相位是如何變化的。^[1]

圖 5：來自單一發射器的訊號在到達天線後，會因天線與發射源的距離不同而產生不同的相位。(圖片來源：藍牙技術聯盟)

記錄 IQ 樣本只是構建定位服務的第一步。要完成這項任務，開發人員必需針對應用所使用的定位器和信標，設計或選擇最佳天線陣列，並掌握執行測向計算所需的複雜演算法。

計算訊號方向

測向技術使用的天線陣列一般分為三種類型：均勻線性陣列 (ULA)、均勻矩形陣列 (URA)，以及均勻圓形陣列 (UCA)。顧名思義，線性陣列是一維陣列，矩形和圓形陣列則是二維陣列。ULA 的設計和實作最容易，但缺點是，只能在假定受追蹤裝置都在同一平面內移動的假設下計算方位角。如果實際情況與假設不同，則精密度會受到影響。URA 和 UCA 則能可靠地測量方位角和仰角 (圖 6)。

圖 6：AoA 和 AoD 測向技術需要使用天線陣列，而常見的陣列類型包括線性、矩形和圓形。雖然每種類型的陣列均能取得方位角和仰角資訊，但是矩形和圓形陣列提供的方位角資料更加可靠。(圖片來源：Silicon Labs)

設計測向所用的天線陣列並非易事。例如，置於陣列中的天線會因為相互耦合而干擾彼此的響應。為將此類效應納入考量，估計演算法通常需要使用預定義的陣列響應。例如，某個常用的商用演算法，在數學上假設該陣列由兩個相同的子陣列構成。幸運的是，對於缺乏天線專業知識的人士來說，可以使用已定義特性的商用天線陣列產品。

高效率的天線陣列可確保正確地蒐集 IQ 樣本，但是要判定訊號的方向，不能僅靠原始資料；這些資料必須經過處理，將多重路徑接收、訊號極化、傳播延遲、雜訊及抖動納入考量。

由於 RF 測向不是一項新的技術領域，在現實應用中，目前已有多數種成熟的數學技術，可根據取得的 IQ 樣本來估算到達角。定義問題並不難，即估算發射 (窄頻) 訊號到達接收陣列的到達角 (出發角的計算與此類似)，但解開問題所需的數學運算卻沒有這麼簡單。

簡單地說，假定陣列的每個天線有一組 IQ 樣本資料集，該商用演算法會先根據以下的方程式，計算資料向量「x」(同時假設這些訊號為經過相移和縮放的正弦 (窄頻) 訊號)：

 方程式 1

其中「a」為天線陣列的數學模型 (「轉向向量」)，

「s」為輸入訊號，「n」為雜訊項。

然後使用 x 及以下方程式產生 IQ 樣本協方差矩陣「R_xx」。

 方程式 2

該樣本協方差矩陣隨後用作主估算演算法的輸入。最受歡迎且成熟的頻率估算與無線電測向演算法之一，就是多重訊號分類 (MUSIC)。從技術層面來說，MUSIC 會使用協方差矩陣的特徵向量分解及特徵值，根據訊號和雜訊子空間的特性來估算 AoA。

採用的方程式為：

 方程式 3

其中，「A」為含有特徵值的對角矩陣，「V」為含有相應特徵向量的矩陣。

V 隔離後，即可用於方程式來產生偽頻譜，其中峰值出現在接收訊號的到達角處 (方程式 4)。

方程式 4

所產生的頻譜採用所示的形式，而峰值出現在發射訊號到達的方向 (圖 7)。^[2]

圖 7：MUSIC 演算法使用 IQ 樣本生成功率偽頻譜，其峰值標識出發射裝置的位置。本範例顯示一個 2-D 偽頻譜，其中發射裝置位於 50 度方位角和 45 度仰角的位置處。(圖片來源：Silicon Labs)

執行測向演算法是一項運算密集型任務，需要大量的 RAM 和快閃記憶體容量。

巿面上已有具備適當資源的商用藍牙 5.1 產品。例如，Dialog Semiconductor 針對定位服務應用推出 DA14691 藍牙 5 LE SoC。此晶片內建 Arm^® Cortex^®-M33 微處理器並提供 512 KB RAM。Silicon Labs 則針對自家的 EFR32BG13 BLE SoC 推出藍牙 5.1 堆疊；此晶片採用 Arm Cortex-M4 微處理器，並提供 64 KB RAM 和 512 KB 快閃記憶體。

而 Nordic Semiconductor 又更進一步，推出全新的「測向」硬體 nRF52811。此款 BLE SoC 與藍牙 5.1 相容，內建 Arm Cortex M4 微處理器，並搭配 Nordic 的高端 nRF52840 無線 SoC 多重協定無線電。此晶片提供 192 KB 快閃記憶體以及 24 KB RAM。

本系列文章第 2 篇將說明如何使用以這些 SoC 與堆疊為基礎的開發平台，實作實用的定位服務應用，如資產追蹤和 IPS 等；另外還會說明此平台額外的元件，包括天線陣列、隨附的微處理器和相關記憶體，以及「定位引擎」韌體。

結論

藍牙 5.1 所採用的核心規格最近進行了增強，存取 IQ 資料變得更為容易。這些資料可用於饋送 RF 測向演算法，由其計算藍牙無線電傳輸的 AoA 或 AoD，然後使用該資訊估算發射器在二維或三維中的位置。

但是，儘管此演算法可用作資產追蹤和 IPS 等實用定位服務應用的基礎，但其精確度仍須仰賴設計良好的天線陣列、成熟的 RF 測向演算法，以及足以執行複雜計算的處理器和記憶體資源。

正如本系列文章第 2 篇將要展示的內容，雖然此項開發工作遠非易事，但巿面已有商用的藍牙 5.1 測向平台、天線陣列，以及定位引擎韌體，能讓設計人員更輕鬆地開始構建精密度達公分等級的定位服務應用。

參考資料

1. Bluetooth Direction Finding: A Technical Overview, Martin Wooley, Bluetooth SIG, March 2019.
2. Understanding Advanced Bluetooth Angle Estimation Techniques for Real-Time Locationing, Sauli Lehtimaki, Silicon Labs, 2018