蓝牙定位与测向
蓝牙®技术[1]采用低功率射频，以低成本实现近距离通信。蓝牙核心规格[２]Bluetooth Special Interest Group (SIG)提供的蓝牙技术在Bluetooth low energy (LE)中增加了定位和测向功能。蓝牙LE中的通信是使用这两个不同的物理层(phy)实现的。
勒未编码的:该PHY进一步分为LE 1M PHY和LE 2M PHY。LE 1M是缺省的PHY，提供1 Msym/s的符号速率。万博1manbetx所有支持蓝牙LE的设备都必须支持LE 1M。LE 2M提供2 Msym/s的符号速率。支持蓝牙万博1manbetxLE控制器的设备对LE 2M的支持是可选的。
LE编码:该PHY配备了更远距离的通信。它有可能在降低数据速率的同时将可实现的范围扩大四倍。万博1manbetx对于支持蓝牙LE控制器的设备，支持LE编码PHY是可选的。
蓝牙测向可以使用le1m或le2m PHY，但不能使用LE编码PHY。
蓝牙中的定位和测向服务
多年来，蓝牙一直被用于提供不同类型的定位和测向服务。在高层次上，这些服务可以分为两类。
邻近的解决方案万博 尤文图斯:此类别包括兴趣点(PoI)信息应用程序(例如，向用户提供房间内文物信息的博物馆)。这一类别还包括物品查找解决方案，如蓝牙标签，帮助查找丢失或放错地方的物品。万博 尤文图斯在这些解决方案中，万博 尤文图斯蓝牙标签周期性地传输蓝牙LE广播帧。AP (access point)通过扫描这些帧来获取蓝牙标签信息，并通过AC (access controller)发送给位置服务器。在PoI接近应用程序中，确定哪些点或哪些PoI靠近计算位置是必要的。
定位系统:这一类包括基于位置的服务，利用蓝牙来查找设备的物理位置。这个类别中突出的用例示例是用于资产跟踪、人员跟踪的实时定位系统，以及用于实现寻径解决方案的室内定位系统，这些解决方案帮助人们在复杂的室内场景中导航。万博 尤文图斯室内定位用例需要应用程序估计他们遇到的信标的准确位置，以便可以计算出与信标已知位置对应的跟踪设备的位置。在某些情况下，信标的位置可能需要在三维空间中确定x- - -y-水平平面上的坐标及其高于或低于参考高度的高度。应用程序只有在知道接收信号的方向、到信标的大致距离以及信标的位置时，才能确定其主机设备的位置。
在涉及智能手机的应用中，在计算信号方向时，应用程序必须考虑手机在三维空间中的方向。
除了前面提到的位置查找服务之外，应用程序本身还必须考虑这些常见的问题。
确定天线阵列细节:为了准确地接收和处理IQ样本数据，应用程序必须在本地设备(用于到达角(AoA))或远程设备(用于离开角(AoD))中拥有天线阵列的详细信息。应用配置文件描述了应用程序如何从远程设备获取天线阵列描述。预计将出现用于检索本地和远程设备中天线阵列的详细信息的api。
配置CTE参数: CTE的长度、天线切换图的长度、每个周期广告事件包含CTE的发送包数等参数决定CTE的产生。这些参数可以通过新的主机控制器接口(HCI)命令设置。
配置并启用IQ采样:蓝牙核心规格[２]定义了一系列参数来配置和启动IQ采样。这些参数包括采样槽持续时间(1 μs或2 μs)、切换图的长度以及采样图中包含的天线id。
从IQ样本数据开发算法和计算角度:蓝牙SIG没有指定任何特定的算法作为标准的测向算法。算法的选择留给应用层来解决。一般来说，这是制造商和开发人员竞争的领域。
蓝牙中的位置估计技术
蓝牙信标技术是蓝牙LE标准的一种应用。信标广播一个不同的ID。接收该ID的蓝牙LE设备上的应用程序查看数据库以识别发射信标，然后向用户提供与该信标位置相关的信息。该图显示了用于估计蓝牙LE设备和信标之间距离的技术。
基于三边的位置估计:三边测量是估计器件位置最常用的技术之一。在这种技术中，必须知道至少两个参考蓝牙信标的位置和它们之间的距离。但是，要准确地确定节点的相对位置，需要三个信标。三边测量技术使用接收到的信号强度指示器(RSSI)值来计算蓝牙信标和蓝牙LE设备之间的距离。RSSI值通过提供米级精度帮助确定两个蓝牙LE设备的接近性。RSSI值表示从接收蓝牙LE设备上看到的信标信号的强度。随着RSSI值的增加，信标信号增强。这种关系有助于指示蓝牙LE设备何时接近信标。由于信标信号的方向不能通过三边测量来确定，蓝牙LE设备的位置可以在圆的圆周上的任何一点。然而，蓝牙LE设备的理想位置是在三个圆的共同交点。 Due to lack of information related to the direction of the beacon signal, the three circles might not always have a common intersection point.
在trilateration中，使用RSSI值的优点是它不需要任何额外的硬件或引起任何额外的通信开销。相反，基于rsi的方法的准确性会受到所选路径损失模型的准确性的影响。此外，这种方法对于一些用例来说不够准确。即使在首次安装蓝牙信标时有效地校准了参考RSSI值，计算出的RSSI值也会受到环境条件的影响，例如是否有人和湿度水平。基于rsi的方法精度较差，特别是在充满墙壁和家具等障碍物的室内场景中。这些障碍是多径衰落的根源，并使距离和RSSI之间的关系不准确。
基于三角定位的位置估计:三角测量是一种计算一个点的位置的技术，它依赖于两个或三个参考点之间的已知距离，以及使用蓝牙测向功能测量这些参考点与该点之间的角度。这些角度可以是AoA或AoD。有关更多信息，请参见到达角(AoA)而且起飞角(AoD)．与仅实现距离测量的三边测量不同，三角测量技术使用角度测量。使用这种技术，您可以计算出二维中任意点的位置，给定该点与其他三个参考点之间的三个角度。然而，在二维空间中，至少需要两个角度来估计任意点的位置。参照上图，d12，d23,d13分别表示蓝牙信标1-2、2-3和1-3之间的距离。角x，y,z分别为蓝牙LE设备与蓝牙信标1、2、3之间的已知角度测量值。使用这些已知的测量，三角测量技术使您能够计算角度α， β和θ。从而得到蓝牙LE设备的位置。三角测量是一项复杂的技术，需要蓝牙信标的位置和空间旋转信息。然而，由于AoA和AoD功能，与三边测量技术相比，三角测量提供了更准确的蓝牙LE设备位置。
为了准确地确定蓝牙LE设备的位置，更先进的解决方案必须实现多个蓝牙信标和基于三边测量和三角测量技术的复杂算法。万博 尤文图斯
蓝牙测向功能
蓝牙核心规格[２]引入了支持高精度测向的新功能。万博1manbetx控制器规范得到了增强，因此包含天线阵列的专用硬件可用于确定接收到的蓝牙LE信号的方向。修改HCI后，控制器获取的数据可以提供给堆栈的更高层，在那里可以进行方向计算。蓝牙测向提供了两种不同的方法，每种方法都利用了相同的基础。这些测向方法是- AoA和AoD。
请注意
蓝牙测向功能AoA和AoD在蓝牙核心规范5.1中被引入[２]．
到达角(AoA)
蓝牙LE设备可以通过使用单个天线传输具有测向功能的数据包，将其方向相关信息发送到另一个对等蓝牙LE设备。由射频开关和天线阵列组成的对端蓝牙LE设备切换天线并捕获接收到的同相(I)和正交(Q)样本。蓝牙LE设备使用这些I和Q样本来计算天线阵列的各个元件接收到的无线电信号中的相位差。因此，计算出的相位差被用来估计AoA。该图说明了AoA方法的概念。
发射设备使用单个天线，而接收设备使用射频开关处理的天线阵列。在接收器处，d表示两个天线之间的距离。相位差，ψ时，到达两天线信号之间的时间计算为:
λ为信号波长和θ是AoA。为避免混叠效果，设置的最大值d必须是λ/2。将上式重新整理，AoA计算为:
起飞角(AoD)
与AoA不同，AoD方法由接收器上的一个天线和发射器上的多个天线组成。蓝牙LE发射器由射频开关和天线阵列组成，通过发送测向包，然后在传输过程中切换天线阵列中的天线，使其可探测AoD。蓝牙LE接收器使用单个天线接收数据包，并捕获I和Q样本。信号的方向由蓝牙LE信号在天线阵列的多个天线与单个接收天线之间的不同传播时延确定。该图说明了AoD方法的概念。
接收设备使用单个天线，而发射设备有射频开关处理的天线阵列。在发射机旁，d表示两个天线之间的距离。相位差，ψ时，到达两天线信号之间的时间计算为:
λ为信号波长，β为AoD。将上式重新排列，计算AoD为:
天线阵列
天线阵列的基本用途是将辐射信号定向到所需的角扇区。天线阵列元素的数量、几何设计、相对振幅和相对相位取决于所需的角度模式。一旦天线阵列被设计成聚焦在一个特定的方向上，该阵列也可以通过改变阵列元素的相对相位来转向另一个方向。该图显示了一些常用的天线阵列设计。
在ULA (uniform linear array)场景中，天线单元位于一条直线上。URA (uniform rectangle array)是指天线单元沿矩形网格布置。均匀圆形阵列(UCA)使天线元件沿圆形的周长放置。ula的几何设计很简单，只能从一个信号计算出一个角度。更复杂的天线阵列设计可以确定两个或三个角度。计算信号相对于参考平面的仰角和方位角在这些天线阵列中是常见的。该图显示了仰角和方位角的概念。
d为点A与点B之间的相对距离向量。dx，dy,dz表示d沿着x-，y- - - - - -,z分别设在。利用这些信息，A点和B点之间的方位角(α)和仰角(柱绕)可计算为:
蓝牙测向信号
蓝牙测向信号是蓝牙测向技术的重要组成部分。测向信号提供了一种可用于IQ采样的恒定信号材料来源。新的链路层(LL)协议数据单元(pdu)被识别用于两个连接的蓝牙LE设备之间的定向。此外，蓝牙核心规范[２]允许您使用现有的广告pdu进行无连接定向。在这些情况下，称为CTE的附加信息被附加到pdu中。蓝牙测向信号利用这些蓝牙LE包结构字段来计算AoA和AoD。
恒音延伸(CTE)
该图显示了在LE 1M和LE 2M上运行的蓝牙LE未编码PHY的包结构。CTE字段附加在包结构的末尾。
CTE包含一系列符号，每个符号代表一个二进制1。CTE字段中的符号数量由较高层配置，以便有适当数量的数据和时间可用于IQ采样。
请注意
有关CTE的更多信息，请参见蓝牙核心规范第6卷B部分第2.5.1节[２]．
频率偏移
在给定的无线电信道中，蓝牙使用两个频率，一个表示数字0，另一个表示数字1。这两个频率是通过加或减频率偏移到或从信道的中心频率。频率的任何变化也会改变波长。波长是计算IQ样本方向的一个重要因素。因此，CTE仅由数字1组成。这意味着整个CTE以单一频率传输，并且具有恒定的波长。
循环冗余校验(CRC)
每个蓝牙LE包包含一个用于错误检测的CRC字段。蓝牙LE发射器从要传输的数据包的剩余部分计算出一个CRC值，并将该CRC附加到数据包的末尾，然后传输数据包。蓝牙LE接收器执行相同的计算，并将计算出的CRC值与附加的CRC值进行比较。如果CRC值不相等，说明通信错误。这将导致一个或多个传输位的变化。在这种情况下，数据包被蓝牙LE接收器忽略，并可以被蓝牙LE发射器重传。
请注意
测向报文中的CTE值不包含在CRC计算中。
消息完整性检查(MIC)
如果蓝牙LE发射器和接收器之间的连接经过加密和认证，则在LL PDU中包含MIC字段。MIC值用于验证PDU的发送方。
请注意
测向报文中的CTE值不包含在MIC计算中。
美白
美白指的是对比特进行置乱处理，以避免在传输的比特流中出现冗长的1和0序列。冗长的1和0序列可能会导致接收器失去频率锁定，并表现得好像中心频率已经向上或向下移动。蓝牙LE通过美白对所有LL报文的PDU和CRC字段进行乱序处理。
请注意
测向报文中的CTE值不需要经过美白处理。
无连接和有连接的测向
蓝牙核心规格[２]使AoA和AoD在无连接或面向连接的通信中使用。然而，在典型的用例中，AoD用于无连接通信，而AoA用于面向连接的通信。下表显示了在无连接通信和面向连接通信中使用AoA和AoD的四种可能排列。
| 连接类型 | 农产品协定的 | 大气气溶胶 |
|---|---|---|
| 无连接 | 蓝牙LE控制器支持是可选的。万博1manbetx | 蓝牙LE控制器支持是可选的。万博1manbetx使用无连接通信的AoD是典型的。 |
| 面向连接的 | 蓝牙LE控制器支持是可选的。万博1manbetx在面向连接的通信中使用AoA是典型的。 | 蓝牙LE控制器支持是可选的。万博1manbetx |
无连接测向实现蓝牙定时广告。CTE被附加到标准的AUX_SYNC_IND pdu中。面向连接的测向使用新的LL_CTE_RSP包来传输CTE，这些包通过连接传输，作为对LL_CTE_REQ pdu的确认。在这两种情况下，在启动IQ采样和生成承载cet的包之前，必须完成各种设置和配置步骤。
通过蓝牙测向功能，可以开发亚微米精度的接近和定位系统，用于室内定位、寻径、资产跟踪和方向发现等用例。蓝牙测向能力提升了信号方向的工程技术。该功能还标准化了蓝牙LE堆栈的接口、交互和突出的内在操作。精确的测向现在可在不同制造商之间互操作，并可广泛用于创建新一代先进的蓝牙定位和测向服务。
参考文献
[1]蓝牙技术网站。“蓝牙技术网站|蓝牙技术官网。”2021年11月22日访问。https://www.bluetooth.com/．
[2]蓝牙SIG (Bluetooth Special Interest Group)。“蓝牙核心规范。”5.1版。https://www.bluetooth.com/．
[3] Suryavanshi, Nitesh B.， K. Viswavardhan Reddy和Vishnu R. Chandrika。蓝牙5.1标准中的测向能力泛在通信和网络计算， Navin Kumar和R. Venkatesha Prasad编辑，53-65页。计算机科学、社会资讯与电讯工程研究所之讲座讲稿。湛:施普林格国际出版社，2019年。
[4]蓝牙SIG (Bluetooth Special Interest Group)。“蓝牙核心规范。”5.3版。https://www.bluetooth.com/．
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