基于信道探测（Channel Sounding）的新一代低功耗蓝牙高精度测距技术原理详解

目录

1. 介绍

2. BLE HADM步骤

3. BLE HADM步骤一：设备同步 Synchronization

4. BLE HADM步骤二：跳频测相 Ranging

5. BLE HADM步骤三：交互相位信息，并计算距离

6. 发起设备和反射设备间的同步偏差问题

7. 总结

8. 参考文献

1. 介绍

        在现今高度数字化与互联网普及的社会背景下，基于位置的服务（Location Based Service，LBS）需求日益增长。随着物联网（Internet of Things，IoT）、智能设备以及无线通信技术的迅猛发展，室内定位系统（Indoor Positioning System，IPS）已逐渐成为诸如商场导航、仓库管理、工业自动化、智能医疗中心以及紧急情况预警等多种应用场景的核心技术。

    目前能够提供IPS服务的无线通信技术一般有：蓝牙（特别是低功耗蓝牙BLE）,超宽带（UWB）,WiFi等。和其他无线技术相比，BLE具有低功耗、低成本、易部署、易于现有个人消费终端直接通信等优点，目前出货量显著上升,已成为IPS中最重要的无线方案[1],[2]。

    现有BLE能够提供的定位服务主要是基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）和DF(Direction Finding)这两大类。RSSI是基于接收信号能量的一种无线测距技术，在任何版本的BLE设备上都支持。但由于该技术容易受到多径等室内通信干扰，一般工业级产品的定位精度都在米级。少量学术界的论文在指纹、机器学习等算法加持下，能够实现米级以内的定位精度。但很难在低成本、大规模部署的工业场景复现[2]。DF技术是在蓝牙规范5.1版本后支持的测向/定位技术。利用该技术实现测向/定位时，需要在接收端或者是在发射端引入多天线阵列。天线阵列在接收端的系统称为AoA(Angle of Arrival)，而在发射端的系统称为AoD(Angle of Departure)。该技术不管在工业界和学术界都可以复现分米级别的定位精度 [2]。但是，BLE DF需要高精度的天线阵列，使得设备在尺寸、实际部署等因素上都存在较多限制。另外，BLE DF的高精度定位区域也有限，一般可以高精度定位半径近似为部署层高，而大规模部署又受制于天线阵列引入后的成本。因此在折中考虑成本、部署难度、尺寸、实际定位精度等因素后，BLE DF技术没有达到预期流行的效果。

    为了实现低成本、易部署、高精度的IPS系统，Bluetooth标准一直在寻找新的高精度测距技术（HADM: High Accuracy Distance Measurement）。目前引入Bluetooth草案，并预计在新的规范中发布实施的HADM技术是一种基于相位的测距技术，被称为蓝牙信道探测（Channel Sounding）[3]。目前主流BLE芯片方案商都已完成基于该技术的测距验证，最高可以实现10cm级别的测距精度 [4]。

    本文将详细介绍蓝牙信道探测技术实现高精度测距的原理。

2. BLE HADM步骤

        根据Bluetooth规范草案 [4] 和实际芯片厂商 [5] 实施的步骤来看，BLE HADM主要分为三步：同步、跳频相位测量、计算距离，如Fig.  1所示。

        在BLE HADM过程中，完成测距的一对设备被称为发起设备（initiator）和反射设备（reflector）。类似的定义，可以参考BLE连接态下的Master和Slave设备。

Fig.