蓝牙定位技术及测试方法

蓝牙定位技术主要应用于室内定位，目前有蓝牙感知和蓝牙定位两个应用方向，由于技术特点的限制，现阶段的蓝牙定位技术精度为10米，难以满足定位产品市场的需求。2019年蓝牙组织发布了蓝牙5.1技术，该技术引入寻向功能，将定位精度提升到厘米级。蓝牙5.1终端产品的射频性能，直接影响到应用软件的方向计算结果，导致定位精度无法达到最佳。润博君按照蓝牙当前的定位技术和最新的5.1寻向技术，针对蓝牙5.1的终端，提出一套测试方案，适用于研发和生产中，能够有效提高终端的定位性能。

一、概述

蓝牙技术已经普遍应用于智能手机、健康手环和电脑等电子设备，得到广泛的关注。据蓝牙组织统计，目前有不少于80亿蓝牙设备，在未来，物联网高速发展中，蓝牙设备的数量会越来越庞大。由于卫星信号受到遮挡后衰减，室内定位一直是卫星定位的死角。近年来，基于现有的无线技术，人们进行了一些室内定位的研究和开发。其中，由于技术成本低，基于低功耗蓝牙的定位方案受到人们的追捧，已经在市场上得到实际应用。但是，现有的蓝牙定位方案，存在明显的缺陷，比如，定位精度为1到10米，难以满足高精度的定位需求。2019年，蓝牙组织根据人们在室内定位方面的需求，在蓝牙5.1中新增了蓝牙寻向功能，结合现有的蓝牙定位方案，定位的精确度可达到厘米级。

初始状态为环回，非跳频。EUT分别工作在低、中、高三个频点，回送调制信号为PN9的DH1分组。测试仪通过LMP信令控制EUT输出功率，并测试功率控制步长的范围，规范要求在2dB和8dB之间。

二、蓝牙定位的应用介绍

无线电波在传输过程中，随着传输距离的增加，信号会逐渐衰减。根据此特性，当前的蓝牙定位方案基于相同的实现方式：根据测试发信方的信号强度，蓝牙受信设备估算与发信方的距离。根据定位的应用场景，主要分为两个应用方向，蓝牙感知技术和蓝牙定位技术。

2.1、蓝牙感知技术

蓝牙感知技术的实现相对简单：根据发信方的信号强度变化来判断发信方的位置。如图1所示，受信方接收到发信方的信号，对信号进行分析后，估算距离远近，在移动中，随着距离发生变化，信号强度发生变化，信号增强，则更接近发信方，反之，则远离发信方。

图1：蓝牙接近

基于蓝牙感知技术，目前的应用是物品查找和兴趣热点两种服务。物品查找主要是针对个人的一些应用，比如寻找个人用品，钱包或者钥匙。在钱包里放置蓝牙设备，用户根据手机中的一个应用软件，搜索该蓝牙设备，就能监控或寻找钱包。

兴趣热点是指在一些大型公共场所里，在特定的兴趣地点安装蓝牙设备，供访问者搜索。比如，在博物馆里，给展品绑定蓝牙设备，参观者用手机上的应用软件，根据展品上蓝牙设备发送的信号，更容易的找到自己感兴趣的展位。根据商场里的商店发送的信号，顾客更容易找到自己感兴趣的品牌。这些应用场景，都可以通过兴趣热点，使用户得到更好的服务体验。

蓝牙感知技术，从自身移动时信号强度的变化判断与发信方的距离远近变化，在实际应用中，需要“移动”较长的时间，才能找到大约的方向，用户体验较差，所以，只能应用于一些简单的场景。

2.2、蓝牙定位技术

蓝牙感知技术是端对端的简单应用，而蓝牙定位技术则是相同原理下的一种复杂应用，主要分为实时追踪和室内定位两个应用方向。

2.2.1、实时追踪

实时追踪，主要应用于资产追踪或者人物追踪。例如，物流仓库中的货物、叉车和工人，医院的医护设备和病人，可以通过实时定位，进行更安全更优化的管理。如图2，在室内特定位置的安装蓝牙接收机，实时接收从被追踪者发出的信号，蓝牙接收机将各自接收到的信号强度上报给服务中心，通过计算得到被追踪者的位置。根据平面三点定位的要求，平面上需要安装至少三个接收机，所有接收机需要构成网络，由服务中心统一管理。

根据对实时性的要求，可以设置被追踪者信号的发射周期，发射周期越大，电池的能耗越小，被追踪者待机时间也越长，该周期的长短直接决定了追踪位置的刷新率。

图2：实时定位拓扑图

2.2.2、室内定位

室内定位，主要是通过提供辅助信号，帮助终端计算自己的位置信息，主要应用于一些大型室内公共场所，例如，大型商场、超市或者办公楼。在商场里安装固定位置的蓝牙发射装置，周期性的发送蓝牙信号，如图3，访客通过手机应用软件，接收来自固定发射器的信号，通过信号强度计算自己与固定发射器的距离。在平面上，通过至少三个固定发射器的信号强度，就能得出平面上的位置信息。

图3 室内定位拓扑图

蓝牙定位技术，首先，需要在室内布置一定数量的固定蓝牙设备，而且，这些蓝牙设备的位置坐标时已知的。其次，通过测量信号强度估算距离，由于估算的精度有限，目前的定位精度为1到10米，该定位精度远达不到市场的需求。针对该问题，蓝牙组织在蓝牙5.1中引入了寻向技术，将定位精度提高到厘米级。

三、蓝牙5.1：寻向功能

在蓝牙5.1新增的几个功能中，蓝牙寻向功能是最重要的特性。根据应用场景的不同，分成两种寻向方式，到达角度（AoA）和离开角度（AoD）。

3.1、到达角度（AoA）

图4为AoA的示意图，发信方为单天线，受信方为多天线。发信方的连续波信号到达受信方后，由于受信方每个天线与发信方的距离差异，到达的时间形成差异，造成了电磁波的相位差异。每个天线上可以得到不同的相位信息，利用天线间的相位差，AoA测试法就可以计算得到与被定位对象的角度。从应用场景上，AoA类似于当前的蓝牙实时追踪技术。

图4 AoA定位模型

如图5，d为接收天线阵列中两个天线的距离，为两个天线的相位差，为波长。

图5 到达角度计算

根据公式1，就能计算得到到达角度。

3.2、离开角度（AoD）

图6为AoD的示意图，发信方的多个天线组成天线阵列，分时发送同一个连续波信号。由于每个发射天线与接收天线的距离不同，信号到达受信方后，形成了相位差异。利用相位差，AoD测试法就可以计算得到自己与对方的角度。AoD可以替代现在的室内定位模型，用于室内定位。

图6 AoD定位模型

如图7，d为发射天线阵列中两个天线的距离，为两个天线的相位差，为波长，根据公式1，计算得到离开角度。

图7 离开角度计算

3.3、蓝牙寻向的技术优势

相对于现有的蓝牙定位技术方案，寻向技术的引入，对定位精度的改进有了新的突破口。

首先，蓝牙感知是根据接收信号强度的变化，分析距离远近变化，受无线环境影响，存在较大的不确定性。寻向技术则通过发信方信号，无需信号强弱分析，直接计算发信方的方向。所以，蓝牙寻向在物品查找和兴趣热点两种服务的应用中，优势更加明显。

其次，现有的实时追踪和室内定位的应用中，根据信号强度测距，会带来很大的误差。如果引入寻向技术，结合方向信息和信号测距结果，能得到更准确的位置信息。

因此，蓝牙寻向的引入，让蓝牙定位有了更大的发展空间。

3.4、蓝牙寻向的实现难点

如图8，蓝牙5.1在信号的尾部引入了CTE部分，CTE由内容为全1的符号组成，CTE所含符号的数量由上层协议决定。接收机是通过对CTE数据的采样分析，得到波长，相位。在计算公式1中，参数波长、相位差和天线距离直接影响了寻向的误差。

图8 蓝牙5.1的信号格式

首先，波长由发射信号频率决定。因为（Constant Tone Extension）CTE由全1的符号组成，CTE部分的频率为调频后的频率，真实的波长由载波频率和调制频率的准确性来决定。

其次，是接收方通过信号采集，分析得到的结果。如图9所示，多天线发射或者接收时，需要在各个天线上依次发送信号，每次切换天线时，需要预留一个切换时隙，作为保护间隔。所以，天线切换和相位的连续性也会对寻向计算产生影响。

图9 CTE信号收发时隙

最后，由于电路板的布置和天线形态的不同，天线距离d存在不确定性，本文在载波频率为2402MHz，天线距离d为80mm，测试角度不变的情况下，在天线距离d的误差从0递增到40mm时，分析对角度计算结果的影响。如图10，图中曲线分别为理想角度和实际计算角度，理想角度保持恒定，当天线距离的误差增大时，实际计算的角度有递增趋势。

图10 天线距离误差对寻向结果的影响

减少上述因素带来的影响，就能进行更精确的寻向。而使用测试仪表对产品的性能测试，构建相应的测试模型，能从测试数据上分析产品的寻向精度，同时，也能对产品的寻向结果进行校准。

四、蓝牙5.1的测试

根据蓝牙寻向产品的分类，蓝牙组织在测试规范中分别对到达角度（AoA）和离开角度（AoD）的产品，制定了发射机和接收机的测试项目。

发射机的测试项目，包含发射功率，发射机的载波频率误差以及频谱漂移，另外，AoD产品具有多天线，工作时多天线分时发射信号，所以，需要测试AoD产品天线切换时的射频性能，保持功率和相位的稳定性。

接收机的测试项目，针对被测件寻向的要求，需要对接收到的信号功率和相位进行计算。AoA产品具有多天线，工作时多天线分时接收，每个天线准确的计算相位信息，是寻向精度的保证。

AoD接收机和AoA发射机，都是单天线产品结构，采取了相同的测试环境。以罗德与施瓦茨公司的综测仪CMW270为例，如图11，用射频线缆连接仪表与被测件，在测试AoD接收机时，仪表发送信号，AoD产品接收信号。在测试AoA发射机时，AoA产品发射信号，仪表分析信号的射频指标。

图11 AoD接收机和AoA发射机的测试

AoD发射机和AoA接收机，二者都是多天线的产品结构，所以，需要搭建特别的测试环境，如图12，在测试仪表CMW270和被测件之间，需要一个额外的合路器或功分器，CMW500模拟单天线终端。

图12 AoD发射机和AoA接收机的测试

因为测试仪器发送信号的相位和功率是可编辑的，所以，在产品整机的研发和生产阶段，利用测试仪表发出的信号，测试整机定位的准确性。如图13，测试仪在发射信号的相应时隙，改变每个接收天线的对应相位P0、P1、P2和P3，模拟相应的角度。图中四个天线接收的信号，对应时隙的实测相位为△P0、△P1、△P2和△P3，根据实测相位，被测设备计算得到定位角度。模拟的偏差，即为寻向偏差。

图13 测试仪表模拟相位变化

如果动态的改变信号的相位和功率，测试仪表可以模拟移动中的定位场景。功率的变化，对应于发信方与受信方之间距离远近的变化；相位的变化，对应于双方方向的变化。根据应用场景，按照一定的“速度”来改变发射信号的功率和相位，可以模拟相应的移动速度和轨迹。结合应用程序和地图信息，可以测试终端在移动场景下的定位能力。

综上所述，采用测试仪表，可以对蓝牙寻向产品的射频指标进行定量分析，也可以模拟现实的定位场景，进行定位服务的应用测试，在测试中发现和纠正寻向偏差。

五、总结

多年来，低功耗蓝牙为消费、零售、医疗保健以及制造领域的各类应用创造了功能强大、低成本的解决方案，寻向技术将使蓝牙技术更好地满足定位服务行业中不断变化的需求。借助测试仪表，在研发和生产阶段对终端产品的测试，能帮助提升定位服务的精度，是产品质量的重要保障。