隨著GPS的普及，定位已成為無線設備的重要功能之一。如今消費者期望實現微定位，這反過來促使無線技術針對微定位的要求進行調整，推動定位精度不斷提升。
使用無線技術進行定位並不是一件新鮮事。然而，在確定了基於位置的新應用案例後，使用者對定位精度的要求也在逐年提高。
例如，GPS系統可以達到約5~20公尺的精度等級，具體取決於訊號條件。對於尋找特定建築物的車主來說，GPS系統足以滿足需求，但GPS的精度水準無法幫助使用者在商店中查找特定的貨架或在參觀博物館時找到目標畫作。
如今，基於接收訊號強度的藍牙(Bluetooth)和Wi-Fi定位系統可滿足室內應用的定位需求，例如偵測幾公尺內人或物的接近程度。不過，下一代定位技術旨在實現更高的精度水準，達到誤差1公尺以內的公分級精度，此類技術也稱為微定位。微定位開啟了免手持門禁和資產追蹤等新一代應用案例，允許使用者以極其精確的方式與環境中的各種物體互動。
基於藍牙5.1核心規範的系統、基於IEEE 802.15.4z的超寬頻(UWB)和基於IEEE 802.11az的Wi-Fi下一代定位技術，讓新一代的定位應用成為可能(圖1)。
圖1 在超寬頻的支援下，藍牙已從低精度定位技術發展為誤差在１公尺以內的高精度定位技術
藍牙5.1如何提供微定位
藍牙技術聯盟(藍牙SIG)在2019年發布了全新的藍牙5.1核心規範，加入了用於定向的增強功能。早在5.1版本發布之前，藍牙便已廣泛應用於室內定位領域，它使用一種稱為接收訊號強度指示器(RSSI)的方法，根據測得的路徑損耗來估算發射器和接收器之間的距離。
但是，這種方法只能偵測到發射器位於某個圓形區域內，無法獲知傳入訊號的方向。藍牙5.1規範透過提供傳入訊號的角度資訊將方向性納入考量。透過藍牙5.1的到達角(AoA)或出發角(AoD)方法，可實現資產追蹤系統或尋向應用。
方向可藉由接收訊號的角度來確定。定向時，藍牙5.1設備會傳輸帶定頻擴展訊號(CTE)欄位的數據封包。CTE欄位是持續時間可變的未數據「1」之位元序列，可簡化接收器上的相位計算。藍牙5.1接收器使用具有至少2根天線的天線陣列，並根據天線之間的相位差、訊號波長和天線之間的距離計算入射角。
相比單獨使用RSSI方法，將角度資訊與RSSI測量相結合能夠更準確地確定設備位置。
基於藍牙5.1的系統的定位精度取決於多種因素，包括陣列中的天線數和天線方向圖，以及根據相位I/Q資訊確定角度的後處理演算法。此外，現場的拓撲結構也十分重要，因為障礙物會降低RSSI和相位精度。不過，透過部署多個定位器進行三角測量，可以顯著改善測量精度。
基於藍牙5.1的系統能夠達到幾十公分級的1公尺以內精度，具體取決於實施情況。在本文編寫之際，所有主要晶片組製造商均已添加對藍牙5.1的支援。
超寬頻如何實現微定位
UWB並非一項新技術。正如IEEE 802.15.4標準中定義的一樣，其首次部署發生在21世紀初。當時，UWB是一種專為替代USB而設計的高速傳輸技術，但並未實現廣泛商用。近年來，出於測距目的，IEEE 802.15.4z修訂版本對MAC和PHY層進行了改進。
與藍牙技術不同的是，UWB並非使用訊號強度，而是使用飛行時間(ToF)來估算距離。ToF衡量的是訊號從發射器到接收器所花費的傳播時間。由於射頻訊號在任何環境下均以光速傳播，因此基於ToF的距離估算方法比藍牙中使用的RSSI方法具備更好的環境適應性(圖2)。
圖2 飛行時間可提供距離資訊
UWB不同於藍牙和Wi-Fi。UWB並非使用調變正弦波，而是利用調變脈波列傳輸資訊。UWB脈衝的持續時間非常短，僅有一納秒左右。考慮到訊號的特性，這種技術更能適應室內典型的多路徑環境，因為與藍牙或Wi-Fi相比，UWB的短脈衝更不易受到反射訊號的干擾。
UWB的ToF測量可以透過角度資訊完善，以提供更精確的定位。類似於上文藍牙5.1 AoA部分所述，UWB錨點接收器採用具有2根或更多根天線的天線陣列。計算程式使用每根天線的到達時間和天線間隔資訊確定傳入訊號的角度。
基於UWB技術的系統可以達到10公分等級的精度，具體取決於環境。在本文編寫之際，幾家主要晶片模組製造商均已提供UWB解決方案，幾家智慧手機製造商也紛紛採用這項技術，證明其發展趨勢十分強勁。
透過Wi-Fi 802.11az進行微定位
接下來要探討的是最新且具有口碑的一項技術，即已接近完成(目標是在2022年發布)的Wi-Fi 802.11az下一代定位(NGP)標準。與藍牙類似，Wi-Fi長期以來一直與基於RSSI的方法一起使用來提供定位。不過，NGP標準建立在一項稱為精細定時測量(FTM)的Wi-Fi功能基礎之上。 FTM使用往返時間(RTT)資訊來估算啟用Wi-Fi的網站和存取點之間的距離。RTT機制會使用離開時間(ToD)和到達時間(ToA)的時間戳。802.11az標準旨在利用802.11ax(Wi-Fi 6)標準中的最新功能改進傳統FTM(圖3)。
圖3 Wi-Fi精細定時測量功能測量往返時間
Wi-Fi 6訊號支援高達160MHz的通道頻寬，Wi-Fi 7支援高達320MHz的通道頻寬，802.11az的增強功能利用新一代標準中更寬的通道頻寬，有效提高了定位精度。更高的頻寬意謂著更高的解析度，而MIMO操作則可更易於應對多路徑效應。
為提高協定效率，NGP會使用802.11ax標準中已定義的空數據封包(NDP)幀進行波束成形探測。此外，新標準還利用了Wi-Fi 6的多使用者功能。當基於觸發器的測距與上行鏈路和下行鏈路OFDMA結合使用時，接入點可以利用單次傳輸有效地從多個站點獲得測距資訊。此功能大幅地減少了交換測距資訊所需的開銷，還提高了對更多站點的可擴充性。
在本文編寫之際，與採用802.11az NGP技術的商業定位解決方案相關的資料仍較為有限。然而，高通Wi-Fi測距白皮書上發布的測試數據顯示，這項技術在視距和非視距環境中的表現均十分出色，精度可達公分級。
下一代微定位技術對比
對比上述三種技術的定位精度時，高精度的UWB可以達到公釐級。基於藍牙5.1的系統可達到1公尺以內精度，而基於802.11az的Wi-Fi部署可達到公分級精度。請記住，在討論定位精度時必須考慮多項因素。環境、系統設計、天線路徑延遲和其他參數都可能導致標稱精度降低。
除了定位精度之外，還有許多因素會影響用戶投資新定位技術的決策，而這些判斷標準與技術的應用密切相關。例如，安全性、功耗、成本、現有基礎設施、傳輸範圍和互通性都可能影響決策。無論選擇哪種技術，都需要經過精心的設計驗證測試才能確保良好性能，進而實現成功部署。
(本文作者為LitePoint資深產品經理)