测距解决方案利用蓝牙 LE 信道探测

Nthatisi 研究了 Silicon Labs 的高精度距离测量（HADM）解决方案，该解决方案利用了蓝牙 LE 的信道探测功能，专为复杂的射频环境而设计。

随着我们的世界日益紧密联系，定位服务变得越来越重要。无论是在仓库中跟踪货物、在复杂的建筑物内导航，还是在限制区域内确保安全，准确测量设备之间距离的能力都至关重要。

从历史上看，接收信号强度指示器（RSSI）一直是估计这些距离的首选方法。但是，RSSI有其缺点。其测量值可能会因环境因素而有很大差异，尤其是在具有多个信号路径的室内环境中。这种环境敏感性通常会导致缺乏可靠性和准确性，有时甚至高达 4-5 米的差异。

安全性是RSSI的另一个关注点。其级别可以纵，可能导致高安全性方案中的违规行为。例如，在自动门系统等安全敏感设置中，攻击者可以提高 RSSI 级别，使系统相信某人比实际更接近。此类安全漏洞使 RSSI 不适合高安全性应用程序。

鉴于RSSI的局限性，对卓越、可靠的距离测量解决方案的需求是显而易见的。此类解决方案应满足以下条件：

准确性和可靠性：受环境变量的影响较小，确保距离测量的一致性。
简单性：低成本的单天线设计至关重要。到达角（AOA）和超宽带（UWB）等其他技术提供了更高的精度，但代价是复杂性增加。
安全性：对信号操纵具有强大的抵抗力，适合用于高安全性应用。
互操作性：理想情况下，解决方案不应是专有的，而应与各种系统无缝集成。

为了应对这些挑战，蓝牙特别兴趣小组（SIG）推出了一项新功能，即通道探测。这项创新功能有可能满足下一代距离测量解决方案的所有要求，为改进定位服务奠定基础。

蓝牙 LE 的信道探测功能

信道探测是无线通信中用于了解和分析无线电信道特性的一种技术。它涉及通过通道传输已知信号或“音调”。然后，接收设备检查该音调在传播过程中如何变化，从而深入了解信道的特性和潜在干扰。

蓝牙 LE 使用这种技术对以前的距离测量方法（如 RSSI）进行了重大改进，后者在复杂的射频环境中难以提高准确性和可靠性。

Bluetooth LE 的信道探测功能提供两种模式来增强距离测量：基于相位的测距（PBR）和往返定时（RTT）。

基于相位的测距（PBR）

在信道探测中，从事通信的两个设备称为引发器和反射器。引发器发送特定信号，反射器接收该信号，进行一些处理，并将其发送回去。

在 PBR 模式下，所涉及的两个器件（启动器和反射器）使用幅度移移键控（ASK）交换有关信号相位和幅度的信息。这种交换构成了距离测量的基础。

我们知道，射频信号的相位是载波频率和它传播的距离的函数。例如，蓝牙 LE 信号的波长约为 12.5 厘米。因此，如果两个器件之间的相位差为 π （pi），则器件之间的距离将是波长的一半，约为 6.25 厘米。

基于相位的测距（PBR）

因此，通过比较发射和接收信号的相位，相对相位差提供了启动器和反射器之间距离的度量。

PBR 比 RSSI 和 AOA 等旧技术有显著改进。首先，信号的相位更难操纵，从而提供了增强的安全性。

此外，PBR 提供更高水平的精度。在进行距离估计之前，来自引发器和反射器的同相和正交（IQ）样本经过信号分析和滤波。该工艺可实现亚米级精度的距离测量。

此外，PBR不需要多个天线或天线阵列，有助于简化系统并降低设计复杂性。

往返定时（RTT）模式

在 RTT 模式下，数据包在发起方和反射器之间发送。计算这些数据包传输所需的时间，称为飞行时间（TOF）。该 TOF 可用于使用速度公式确定设备之间的距离。

往返定时（RTT）

往返时间公式如下：

RTT = 2TOF =（到达时间 - 出发时间） - （到达时间 - 出发时间）。

该方程基本上描述了信号从启动器传播到反射器并再次返回所需的总时间。

TOF的精度以及计算的距离取决于器件采样时钟的精度。分数定时技术通常用于提高这种精度。这些技术涉及使用比时钟滴答声提供的时间单位更小的时间单位来测量 TOF，从而产生更精确的距离估计。

RTT 模式的一个显着优势是它提供的固有安全性。由于时间不能逆转或容易操纵，因此潜在的攻击者更难干扰时序信息，从而提供一层防止信号操纵的安全保护。

但是，RTT 不如 PBR 准确。对高精度时钟的要求和对分数定时技术的需求使其成为比 PBR 更复杂的解决方案。

Silicon Lab 的 HADM 解决方案的性能

Silicon Labs 在模拟真实使用条件的办公环境中对其高精度距离测量（HADM）解决方案进行了严格测试。

HADM 测试环境设置在办公室走廊内，周围有会议室、厨房和其他典型的办公功能。安装了天花板导轨基础设施，以便在视距（LOS）和非视距（NLOS）场景中以不同的距离和配置进行自动化、重复测试。

嵌入在墙壁和天花板位置的是固定的 EFR32 设备，复制了典型的接入点位置。轨道系统上的移动 EFR32 设备有助于进行动态测量，评估系统在移动目标下的性能，并提供长达 30 米的静态测量。

性能试验主要使用基于相位的测距（PBR）模式。结果（如提供的图表所示）显示出令人印象深刻的性能。

Silicon Lab 的 HADM PBR 距离估算

x 轴表示实际距离，y 轴表示中值绝对误差，每米进行一次测量，最远可达 21 米。一般来说，观察到的误差低于 1 米——考虑到苛刻的多径环境，这是一个非常有希望的结果。

Silicon Labs 解决方案入门

Silicon Labs 目前为选定的客户提供抢先体验计划，允许他们开始试验 HADM 功能，即使它仍处于开发阶段。

为了顺利起步，他们提供了一个基于 EFR32MG4 SoC 的测距套件，以及 23Q2 GSDK 软件包，以及用于 HADM 应用的基本测距 API 和库。此外，还包括一个针对启动器和反射器的预构建 HADM 演示，提供了一种在您自己的环境中试验 HADM 的快速方法。

此外，可视化工具提供估计距离的实时图形视图，增强理解并促进开发。提供构建基于RSSI的测距系统的选项，可用于将其性能与PBR和RTT进行比较。

与规范保持一致

由于 Silicon Labs 的 HADM 解决方案仍在开发中，其结果和功能将进一步提高。此外，蓝牙 LE 信道探测功能是其产品的核心，目前也处于草案阶段。您可以在 Bluetooth SIG 网站上查看当前形式的功能。Silicon Labs 将继续监控其进展，确保其产品在获得批准后与最终的蓝牙规范无缝保持一致。