演算法 天線陣列 藍牙5.1 AOA AoD

解決天線/演算法難題 藍牙5.1客製化設計搶市

2021-01-27
藍牙5.1位置服務的能力備受關注,從發表至今在藍牙技術聯盟官網上已可搜尋到200筆以上認證的設計型號,然而實際上搭載藍牙5.1終端裝置卻少之又少,究其原因在於藍牙5.1的天線和演算法設計為高度客製化,做成終端產品仍須一些時間醞釀。

 

藍牙5.1市場如日中天,包含高通(Qualcomm)、Nordic、芯科科技(Silicon Labs)、恩智浦(NXP)與塞普拉斯(Cypress)等公司皆推出藍牙5.1認證晶片。Nordic區域銷售經理陳俊志(圖1)表示,該公司近期詢問度最高的方案,為位置服務和音訊應用,後者受限於標準尚未完全底定,使其商機延後爆發。至於位置服務,藍牙5.1版本中,藍牙技術聯盟只定義到如何在無線傳輸中加入、發射或接收原始資料,但是要實現方向定位的能力,就必須執行原始資料的演算才有辦法實現,而演算法則需搭配天線陣列技術,互相配合進而計算出相對應的位置,為高度客製化設計。故即便現在已有晶片商提供藍牙5.1晶片,但仍須仰賴第三方設計公司,或終端裝置廠商自行解決演算法與天線設計,造成位置服務的應用窒礙難行。

圖1  Nordic區域銷售經理陳俊志認為,藍牙5.1的終端產品目前尚未普及,主要的原因在於其需高度客製化。

從實際的藍牙5.1設計來看,藍牙技術聯盟開發者關係總監Jim Katsandres談到,為了達到公分等級的精準度,除了計算藍牙訊號的到達角(AoA)和出發角(AoD)之外,還需要量測多個天線上的訊號相位差,亦即需要相位天線陣列。

AoA運作方式通常會帶有一根天線發射器,發射一種稱為恆定頻率擴展(Constant Tone Extension)的特殊訊號,之後該訊號被一個裝有天線陣列的接收器接收,當訊號經過每根天線,訊號的內容會被記錄,可通過這些訊息,加上已知的天線陣列設計算出AoA。這類型的應用通常用於物件追蹤、地標用例。 AoD工作原理則是讓帶有天線陣列的發射器送出特殊封包,並且由所有天線依次發送,帶有單根天線的接收器利用訊號的相位差訊息,以及該發射天線陣列的已知參數計算出AoD。這種方法通常用於室內定位系統,類似GPS在室內的運行方式。

基於上述原理,若要達到公分等級的藍牙位置服務,天線陣列設計方式非常重要。

陳俊志指出,藍牙5.1的方向定位是一個高度客製化的技術,之中牽涉到演算法與天線陣列設計,包含AoA、AoD的運作,其中有一方需要多天線,若要精準計算出物體之間的相對位置,演算法與天線勢必需同步更新設計,特別是天線設計與終端產品本身的尺寸息息相關,會受限於產品本身的體積、造型尺寸大小,進而需要調整天線擺設及場型。因此只要天線設計有變化,演算法設計就必須重新設計一番。

一直以來,製作位置服務的終端廠商,會將過去GPS時代的設計模式套用在藍牙5.1的設計上,認為晶片業者會直接提供演算法與天線設計,然而相較於過去GPS僅搭配一根天線的設計模式,藍牙5.1的天線陣列與演算法設計已超出晶片商的守備範圍,且此設計模式牽涉到龐大的研發投入。以台灣而言,有較多的天線陣列設計廠商,但演算法設計的研發團隊相對較少,少見有同時具備天線陣列和演算法能力的公司。

放眼國際,同時製作天線與演算法的第三方設計公司,大多位於芬蘭、美國與中國等地,如CoreHW與Quuppa等。由晶片商提供晶片與軟體,再由第三方設計公司基於此為終端用戶提供天線與演算法設計。

卡位室內定位市場藍牙位置服務需求日增

雖說藍牙5.1的發展不如預期中的快速,但產業界對於藍牙室內定位的前景與需求並未因此退燒。根據ABI Research預測,藍牙位置服務裝置出貨量,到2024年能夠達到5.38億,預估從2019到2024年,將有32%的年複合成長率,是藍牙四個解決方案裡出貨量成長率最快的。藍牙技術聯盟表示,預計四年後,全球範圍內部署的藍牙即時定位系統將會達到100萬套;藍牙位置服務將會覆蓋18億部手持裝置,包括手機和平板電腦,藍牙位置服務將遍及全球用戶;同時,藍牙個人標籤裝置以及庫存追蹤標籤裝置的出貨量將會達到1.3億,其中包括鑰匙、錢包等。

事實上,位置服務可分成兩個不同領域,一種為接近(Proximity)類解決方案,另一種則是定位(Positioning)系統。前者使用藍牙確定兩個設備相對於其他設備的位置,常見的應用如尋找物件(如丟失的鑰匙或醫院設備)、地標用例、或者追蹤識別是否曾接觸過新冠肺炎病毒感染者的接觸通知。

而另一方面,定位系統則是用藍牙來確定設備物理位置,此類系統通常用於建築物內的系統追蹤,如醫院裡的輪椅和其他設備等,或在機場、活動中心導航。由於藍牙十分省電,藍牙Beacon或標籤可以連續使用10年或更長時間,人們目前所看到的就是不使用電池,而是從環境中採集所需能量的藍牙標籤。

Katsandres以冰上曲棍球與免電池藍牙標籤(Battery Free Bluetooth Tags)作為案例分享。從冰上曲棍球案例來看,被追蹤的物體可以是曲棍球的球員或冰球。由Quuppa和Wise Hockey所打造的藍牙定位技術,於冰球(每秒發送50次訊號)和球員球衣(每秒發送20次訊號)上各自加裝藍牙Beacon,透過房頂上的讀取器來即時追蹤球員和冰球的位置和加速度。

另外免電池藍牙標籤部分,Katsandres表示,由於藍牙非常省電,藍牙Beacon和標籤可以連續使用10年或更長的時間,現在已有廠商如Wiliot透過於環境中採集所需能量,打造無需用電的藍牙標籤,可以放置在設備或標示牌上用來追蹤資產位置。

整體而言,位置服務非常受歡迎,只需要付出低廉成本就可以實現這樣的能力。根據ABI Research研究,2024年為止,位置服務設備每年出貨量將成長四倍,達到5.38億台的總數,其中包括1.3億個藍牙標籤。

 

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