藍牙技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于智能手機、健康手環(huán)和電腦等電子設(shè)備，得到廣泛的關(guān)注。據(jù)藍牙組織統(tǒng)計，目前有不少于80億藍牙設(shè)備，在未來，物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展中，藍牙設(shè)備的數(shù)量會越來越龐大。由于衛(wèi)星信號受到遮擋后衰減，室內(nèi)定位一直是衛(wèi)星定位的死角。近年來，基于現(xiàn)有的無線技術(shù)，人們進行了一些室內(nèi)定位的研究和開發(fā)。其中，由于技術(shù)成本低，基于低功耗藍牙的定位方案受到人們的追捧，已經(jīng)在市場上得到實際應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的藍牙定位方案，存在明顯的缺陷，比如，定位精度為1到10米，難以滿足高精度的定位需求。2019年，藍牙組織根據(jù)人們在室內(nèi)定位方面的需求，在藍牙5.1中新增了藍牙尋向功能，結(jié)合現(xiàn)有的藍牙定位方案，定位的精確度可達到亞米級。

本文首先介紹了現(xiàn)階段藍牙在定位方面的應(yīng)用和技術(shù)原理，其次，闡述了藍牙尋向技術(shù)原理和應(yīng)用上的優(yōu)勢，最后，針對藍牙5.1定位終端的生產(chǎn)和研發(fā)測試，提出一套基于射頻的測試方案。

1 藍牙定位的應(yīng)用介紹

無線電波在傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，信號會逐漸衰減。根據(jù)此特性，當前的藍牙定位方案基于相同的實現(xiàn)方式：根據(jù)測試發(fā)信方的信號強度，藍牙受信設(shè)備估算與發(fā)信方的距離。根據(jù)定位的應(yīng)用場景，主要分為兩個應(yīng)用方向，藍牙感知技術(shù)和藍牙定位技術(shù)。

• 藍牙感知技術(shù)

藍牙感知技術(shù)的實現(xiàn)相對簡單：根據(jù)發(fā)信方的信號強度變化來判斷發(fā)信方的位置。如圖1所示，受信方接收到發(fā)信方的信號，對信號進行分析后，估算距離遠近，在移動中，隨著距離發(fā)生變化，信號強度發(fā)生變化，信號增強，則更接近發(fā)信方，反之，則遠離發(fā)信方。

基于藍牙感知技術(shù)，目前的應(yīng)用是物品查找和興趣熱點兩種服務(wù)。物品查找主要是針對個人的一些應(yīng)用，比如尋找個人用品，錢包或者鑰匙。在錢包里放置藍牙設(shè)備，用戶根據(jù)手機中的一個應(yīng)用軟件，搜索該藍牙設(shè)備，就能監(jiān)控或?qū)ふ义X包。

興趣熱點是指在一些大型公共場所里，在特定的興趣地點安裝藍牙設(shè)備，供訪問者搜索。比如，在博物館里，給展品綁定藍牙設(shè)備，參觀者用手機上的應(yīng)用軟件，根據(jù)展品上藍牙設(shè)備發(fā)送的信號，更容易的找到自己感興趣的展位。根據(jù)商場里的商店發(fā)送的信號，顧客更容易找到自己感興趣的品牌。這些應(yīng)用場景，都可以通過興趣熱點，使用戶得到更好的服務(wù)體驗。

藍牙感知技術(shù)，從自身移動時信號強度的變化判斷與發(fā)信方的距離遠近變化，在實際應(yīng)用中，需要“移動”較長的時間，才能找到大約的方向，用戶體驗較差，所以，只能應(yīng)用于一些簡單的場景。

• 藍牙定位技術(shù)

藍牙感知技術(shù)是端對端的簡單應(yīng)用，而藍牙定位技術(shù)則是相同原理下的一種復(fù)雜應(yīng)用，主要分為實時追蹤和室內(nèi)定位兩個應(yīng)用方向。

1.2.1實時追蹤

實時追蹤，主要應(yīng)用于資產(chǎn)追蹤或者人物追蹤。例如，物流倉庫中的貨物、叉車和工人，醫(yī)院的醫(yī)護設(shè)備和病人，可以通過實時定位，進行更安全更優(yōu)化的管理。如圖2，在室內(nèi)特定位置的安裝藍牙接收機，實時接收從被追蹤者發(fā)出的信號，藍牙接收機將各自接收到的信號強度上報給服務(wù)中心，通過計算得到被追蹤者的位置。根據(jù)平面三點定位的要求，平面上需要安裝至少三個接收機，所有接收機需要構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)中心統(tǒng)一管理。

根據(jù)對實時性的要求，可以設(shè)置被追蹤者信號的發(fā)射周期，發(fā)射周期越大，電池的能耗越小，被追蹤者待機時間也越長，該周期的長短直接決定了追蹤位置的刷新率。

1.2.2室內(nèi)定位

室內(nèi)定位，主要是通過提供輔助信號，幫助終端計算自己的位置信息，主要應(yīng)用于一些大型室內(nèi)公共場所，例如，大型商場、超市或者辦公樓。在商場里安裝固定位置的藍牙發(fā)射裝置，周期性的發(fā)送藍牙信號，如圖3，訪客通過手機應(yīng)用軟件，接收來自固定發(fā)射器的信號，通過信號強度計算自己與固定發(fā)射器的距離。在平面上，通過至少三個固定發(fā)射器的信號強度，就能得出平面上的位置信息。

藍牙定位技術(shù)，首先，需要在室內(nèi)布置一定數(shù)量的固定藍牙設(shè)備，而且，這些藍牙設(shè)備的位置坐標時已知的。其次，通過測量信號強度估算距離，由于估算的精度有限，目前的定位精度為1到10米，該定位精度遠達不到市場的需求。針對該問題，藍牙組織在藍牙5.1中引入了尋向技術(shù)，將定位精度提高到厘米級。

2 藍牙5.1：尋向功能

在藍牙5.1新增的幾個功能中，藍牙尋向功能是最重要的特性。根據(jù)應(yīng)用場景的不同，分成兩種尋向方式，到達角度（AoA）和離開角度（AoD）。

2.1到達角度（AoA）

圖4為AoA的示意圖，發(fā)信方為單天線，受信方為多天線。發(fā)信方的連續(xù)波信號到達受信方后，由于受信方每個天線與發(fā)信方的距離差異，到達的時間形成差異，造成了電磁波的相位差異。每個天線上可以得到不同的相位信息，利用天線間的相位差，AoA測試法就可以計算得到與被定位對象的角度。從應(yīng)用場景上，AoA類似于當前的藍牙實時追蹤技術(shù)。

如圖5，d為接收天線陣列中兩個天線的距離，為兩個天線的相位差，為波長。

根據(jù)公式1，就能計算得到到達角度。

圖6為AoD的示意圖，發(fā)信方的多個天線組成天線陣列，分時發(fā)送同一個連續(xù)波信號。由于每個發(fā)射天線與接收天線的距離不同，信號到達受信方后，形成了相位差異。利用相位差，AoD測試法就可以計算得到自己與對方的角度。AoD可以替代現(xiàn)在的室內(nèi)定位模型，用于室內(nèi)定位。

如圖7，d為發(fā)射天線陣列中兩個天線的距離，為兩個天線的相位差，為波長，根據(jù)公式1，計算得到離開角度。

2.3藍牙尋向的技術(shù)優(yōu)勢

相對于現(xiàn)有的藍牙定位技術(shù)方案，尋向技術(shù)的引入，對定位精度的改進有了新的突破口。

首先，藍牙感知是根據(jù)接收信號強度的變化，分析距離遠近變化，受無線環(huán)境影響，存在較大的不確定性。尋向技術(shù)則通過發(fā)信方信號，無需信號強弱分析，直接計算發(fā)信方的方向。所以，藍牙尋向在物品查找和興趣熱點兩種服務(wù)的應(yīng)用中，優(yōu)勢更加明顯。

其次，現(xiàn)有的實時追蹤和室內(nèi)定位的應(yīng)用中，根據(jù)信號強度測距，會帶來很大的誤差。如果引入尋向技術(shù)，結(jié)合方向信息和信號測距結(jié)果，能得到更準確的位置信息。

因此，藍牙尋向的引入，讓藍牙定位有了更大的發(fā)展空間。

2.4藍牙尋向的實現(xiàn)難點

如圖8，藍牙5.1在信號的尾部引入了CTE部分（constant Tone Extension），CTE由內(nèi)容為全1的符號組成，CTE所含符號的數(shù)量由上層協(xié)議決定。接收機是通過對CTE數(shù)據(jù)的采樣分析，得到波長，相位。在計算公式1中，參數(shù)波長、相位差和天線距離直接影響了尋向的誤差。

首先，波長由發(fā)射信號頻率決定。因為CTE由全1的符號組成，CTE部分的頻率為調(diào)頻后的頻率，真實的波長由載波頻率和調(diào)制頻率的準確性來決定。

其次，是接收方通過信號采集，分析得到的結(jié)果。如圖9所示，多天線發(fā)射或者接收時，需要在各個天線上依次發(fā)送信號，每次切換天線時，需要預(yù)留一個切換時隙，作為保護間隔。所以，天線切換和相位的連續(xù)性也會對尋向計算產(chǎn)生影響。

最后，由于電路板的布置和天線形態(tài)的不同，天線距離d存在不確定性，本文在載波頻率為2402MHz，天線距離d為80mm，測試角度不變的情況下，在天線距離d的誤差從0遞增到40mm時，分析對角度計算結(jié)果的影響。如圖10，圖中曲線分別為理想角度和實際計算角度，理想角度保持恒定，當天線距離的誤差增大時，實際計算的角度有遞增趨勢。

減少上述因素帶來的影響，就能進行更精確的尋向。而使用測試儀表對產(chǎn)品的性能測試，構(gòu)建相應(yīng)的測試模型，能從測試數(shù)據(jù)上分析產(chǎn)品的尋向精度，同時，也能對產(chǎn)品的尋向結(jié)果進行校準。

3 藍牙5.1的測試

根據(jù)藍牙尋向產(chǎn)品的分類，藍牙組織在測試規(guī)范中分別對到達角度（AoA）和離開角度（AoD）的產(chǎn)品，制定了發(fā)射機和接收機的測試項目。

發(fā)射機的測試項目，包含發(fā)射功率，發(fā)射機的載波頻率誤差以及頻譜漂移，另外，AoD產(chǎn)品具有多天線，工作時多天線分時發(fā)射信號，所以，需要測試AoD產(chǎn)品天線切換時的射頻性能，保持功率和相位的穩(wěn)定性。

接收機的測試項目，針對被測件尋向的要求，需要對接收到的信號功率和相位進行計算。AoA產(chǎn)品具有多天線，工作時多天線分時接收，每個天線準確的計算相位信息，是尋向精度的保證。

AoD接收機和AoA發(fā)射機，都是單天線產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，采取了相同的測試環(huán)境。以羅德與施瓦茨公司的綜測儀CMW270為例，如圖11，用射頻線纜連接儀表與被測件，在測試AoD接收機時，儀表發(fā)送信號，AoD產(chǎn)品接收信號。在測試AoA發(fā)射機時，AoA產(chǎn)品發(fā)射信號，儀表分析信號的射頻指標。

AoD發(fā)射機和AoA接收機，二者都是多天線的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，所以，需要搭建特別的測試環(huán)境，如圖12，在測試儀表CMW270和被測件之間，需要一個額外的合路器或功分器，CMW500模擬單天線終端。

因為測試儀器發(fā)送信號的相位和功率是可編輯的，所以，在產(chǎn)品整機的研發(fā)和生產(chǎn)階段，利用測試儀表發(fā)出的信號，測試整機定位的準確性。如圖13，測試儀在發(fā)射信號的相應(yīng)時隙，改變每個接收天線的對應(yīng)相位P0、P1、P2和P3，模擬相應(yīng)的角度。圖中四個天線接收的信號，對應(yīng)時隙的實測相位為△P0、△P1、△P2和△P3，根據(jù)實測相位，被測設(shè)備計算得到定位角度。模擬的偏差，即為尋向偏差。

如果動態(tài)的改變信號的相位和功率，測試儀表可以模擬移動中的定位場景。功率的變化，對應(yīng)于發(fā)信方與受信方之間距離遠近的變化；相位的變化，對應(yīng)于雙方方向的變化。根據(jù)應(yīng)用場景，按照一定的“速度”來改變發(fā)射信號的功率和相位，可以模擬相應(yīng)的移動速度和軌跡。結(jié)合應(yīng)用程序和地圖信息，可以測試終端在移動場景下的定位能力。

綜上所述，采用測試儀表，可以對藍牙尋向產(chǎn)品的射頻指標進行定量分析，也可以模擬現(xiàn)實的定位場景，進行定位服務(wù)的應(yīng)用測試，在測試中發(fā)現(xiàn)和糾正尋向偏差。

4 總結(jié)

多年來，低功耗藍牙為消費、零售、醫(yī)療保健以及制造領(lǐng)域的各類應(yīng)用創(chuàng)造了功能強大、低成本的解決方案，尋向技術(shù)將使藍牙技術(shù)更好地滿足定位服務(wù)行業(yè)中不斷變化的需求。借助測試儀表，在研發(fā)和生產(chǎn)階段對終端產(chǎn)品的測試，能幫助提升定位服務(wù)的精度，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。

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