蓝牙5.1、UWB 和 Wi-Fi 802.11az 如何助力微定位

2022-1-8 18:44| 查看: 8| 评论: 0|原作者: 伊芙·丹尼尔

随着 GPS 的普及，定位正成为无线设备的一个重要功能。现在，消费者想要微定位，而无线技术也正在适应它，定位精度也在不断提高。

使用无线技术进行定位并非新鲜事。然而，随着新的基于位置的使用案例的出现，多年来对精度的要求也不断提高。

例如，GPS 系统可以实现大约 5 到 20 米的精度，具体取决于信号条件。这在驾车寻找特定建筑物时已经足够，但 GPS 的精度无法满足寻找商店中特定货架或在博物馆游览中指向正确绘画的需求。

如今，基于接收信号强度的蓝牙和 Wi-Fi 定位系统可以提供室内定位，其水平足以满足诸如检测几米范围内物体或人的距离等应用。然而，下一代技术旨在实现更高的精度，达到不到一米的精度，精确到几厘米——也称为微定位。它开启了新一代用例，使用户能够非常精确地与环境中的各种参与者进行交互，从免提访问控制到资产跟踪等等。

基于蓝牙 5.1 核心规范的系统、基于 IEEE 802.15.4z 的超宽带以及基于 IEEE 802.11az 的 Wi-Fi 下一代定位提供了解锁这些下一代定位应用的潜力（图 1）。

1、蓝牙通过超宽带支持，已经从低定位精度进步到一米以下的精度。

蓝牙5.1如何提供微定位？

蓝牙 SIG 于 2019 年发布，更新了蓝牙 5.1的蓝牙核心规范，包括增强测向功能。在 5.1 版本发布之前，蓝牙已广泛应用于室内位置跟踪部署，使用一种称为接收信号强度指示器 (RSSI) 的技术，根据测量的路径损耗来估计发射器和接收器之间的距离。

但是，接收器只能检测到发射器位于圆形区域内，无法获取有关传入信号方向的信息。蓝牙 5.1 规范通过提供角度信息为传入信号增加了方向性。资产跟踪或寻路应用系统可以使用到达角 (AoA) 或出发角 (AoD) 蓝牙 5.1 方法实现（图 2）。

2. 蓝牙测向是通过检测蓝牙设备的到达角来完成的。

方向取决于传入信号的角度。为了测向，蓝牙 5.1 设备会传输附加有恒定音调扩展 (CTE) 字段的数据包。CTE 字段是可变持续时间的未调制 1 的位序列，可简化接收器上的相位计算。蓝牙 5.1 接收器使用至少有两个天线的天线阵列，并根据天线之间的相位差、信号的波长和天线之间的距离计算入射角。

结合 RSSI 测量，角度信息可以让设备比单独使用 RSSI 方法更准确地确定其位置。

基于蓝牙 5.1 的系统的精度取决于多种因素，包括阵列中的天线数量和天线方向图，以及根据相位 I/Q 信息确定角度的后处理算法。站点的拓扑结构也很重要，因为 RSSI 和相位精度都会因障碍物而降低。但是，通过部署多个定位器进行三边测量，可以大大改善测量效果。

根据具体实施情况，基于蓝牙 5.1 的系统应能够实现亚米级精度，精确到几十厘米。截至撰写本文时，所有主要芯片组制造商都已添加对蓝牙 5.1 的支持。

超宽带（UWB）如何实现微定位？

UWB 并非新技术。根据 IEEE 标准 802.15.4 的定义，UWB 最早于 2000 年代初部署。当时，它旨在取代高速传输 USB，但从未实现广泛的商业应用。近年来，IEEE 802.15.4z 修订版对 MAC 层和 PHY 层进行了改进，以实现测距目的。

与蓝牙不同，UWB 不使用信号强度来评估距离，而是使用飞行时间 (ToF)。ToF 测量信号从发射器到接收器的传播时间。由于 RF 信号无论在何种环境下都以光速传播，因此基于 ToF 的距离估计比蓝牙中使用的 RSSI 方法对环境更具鲁棒性（图 3）。

3.飞行时间提供距离信息。

UWB 与蓝牙和 Wi-Fi 不同。它不使用调制正弦波来传输信息，而是利用调制脉冲序列。UWB 脉冲持续时间非常短，约为纳秒。信号的特性使该技术更能适应室内常见的多路径环境，因为 UWB 的短脉冲比蓝牙或 Wi-Fi 更能抵御反射信号的影响。

UWB 的 ToF 测量可以补充角度信息，以提供更精确的位置。与上面描述的蓝牙 5.1 AoA 类似，UWB 锚接收器采用两个或更多天线的天线阵列。计算使用每个天线的到达时间和天线间距信息来确定传入信号的角度。

基于 UWB 技术的系统可以实现 10 厘米范围内的精度（具体取决于环境）。在撰写本文时，几家主要的芯片组制造商都提供 UWB 解决方案，而多家智能手机制造商采用该技术也证明了其发展势头强劲。

通过 Wi-Fi 802.11az 进行微定位

在讨论的技术中，Wi-Fi 802.11az下一代定位 (NGP) 标准是最新且最不为人所知的，它即将完成（预计在 2022 年完成）。与蓝牙一样，Wi-Fi 技术也已经使用基于 RSSI 的方法提供定位服务一段时间了。但 NGP 标准建立在一项名为精细定时测量 (FTM) 的 Wi-Fi 功能之上，

FTM 使用往返时间 (RTT) 信息来估计支持 Wi-Fi 的站点和接入点之间的距离。RTT 机制采用出发时间 (ToD) 和到达时间 (ToA) 时间戳。802.11az 标准旨在通过利用 802.11ax (Wi-Fi 6) 标准中的最新功能来改进传统 FTM （图 4）。

4.Wi-Fi精细计时测量往返时间。

为了提高准确性，802.11az 的增强功能利用了新一代中可用的更宽信道带宽，因为 Wi-Fi 6 信号支持高达 160 MHz 的信道带宽，而 Wi-Fi 7 则支持高达 320 MHz 的信道带宽。更宽的带宽可提供更高的分辨率，而 MIMO 操作可更好地抵御多径效应。

为了提高协议效率，NGP 使用 802.11ax 标准中已定义的空数据包 (NDP) 帧进行波束成形探测。新标准还利用了 Wi-Fi 6 的多用户功能。当使用基于触发器的测距与上行链路和下行链路 OFDMA 时，接入点可以在一次传输机会中有效地从多个站点获取测距信息。这大大减少了交换测距信息所需的开销，并提高了对更多站点的可扩展性。

在撰写本文时，使用 802.11az NGP 技术的商业定位解决方案的数据有限。然而，Wi-Fi 测距上发布的测试数据显示，在视距和非视距环境中，其性能表现良好，精度可达分米级。

下一代微定位技术比较

比较这三种技术的定位精度时，UWB 可以达到最高的精度，定位精度可达厘米级。基于蓝牙 5.1 的系统应该能够达到亚米级的精度，而基于 802.11az 的 Wi-Fi 部署应该能够达到分米级的精度。请记住，在讨论定位精度时必须考虑许多因素。环境、系统设计、天线路径延迟和其他参数都会降低标称精度。

除了定位精度之外，还有许多因素影响投资新定位技术的决策，这些标准取决于具体应用。例如，安全性、功耗、成本、现有基础设施、传输范围和互操作性都可能影响决策。

无论选择哪种技术，都需要进行仔细的设计验证测试，以确保最佳性能，并最终成功部署。