快速開發尋向測距應用　藍牙5.1引爆室內定位創新潮

2021-10-06

Erik Carlberg

室內定位技術可支援超出GNSS訊號範圍之外的資產追蹤，例如倉庫、工廠和地下的各種追蹤應用。

Bluetooth 5.1所導入的尋向(Direction Finding)功能讓用戶能夠以公尺以下等級的精準度定位室內的資產或是人員等等，為此類應用案例和商業模式帶來高度成長的發展機會。

市場發展與技術沿革

根據藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)2021年的市場更新報告，以藍牙技術為基礎的位置服務設施裝置，將由2021年的26.2萬套，成長到2025年的55萬套，而單元裝置也來到4.8億件，年均複合成長率(CAGR)為32%。由於藍牙技術省電、低成本，以及相容性較佳，應用範圍除了室內定位導航外，也包含物件追蹤、空間規畫、以及興趣點互動訊息站(Point of Interest, POI)等，都是具高度成長潛力的市場。

早在Bluetooth 5.1發布之前，Bluetooth低功耗技術已成為室內定位應用的領先解決方案。基本方法包括使用藍牙接收器，例如智慧手機，測量來自固定信標的藍牙訊號強度(Receiver Signal Strength Indicator, RSSI)。或者，可使用稱為標籤(Tag)的定位錨(Anchor)，來測量行動裝置傳輸的藍牙訊號強度。這些使用RSSI的方法通常可達到幾公尺內的精準度水準，並可被應用在確定房間內是否有資產或人員的追蹤裝置。

由於對更精準的室內定位解決方案的需求不斷地增加，Bluetooth SIG於2019年1月發布了Bluetooth 5.1，以尋向為主要增加的功能。此功能是使用一組多天線定位器，藍牙尋向功能可在覆蓋的室內環境中對行動裝置或標籤的精確位置進行三角測量，讓使用者不僅知道物件的距離，也能知道它的方向所在。

而且，只要是採用藍牙技術聯盟定義的標準，就可確保不同供應商的裝置所使用的訊息格式可以相容。在大眾市場和利基市場應用中，聯網裝置中無處不在的藍牙技術更可加速室內定位解決方案的採用。

Bluetooth 5.1室內定位技術

圖1展示了在Bluetooth 5.1之前，如何在室內環境中使用藍牙低功耗技術來定位。其中包括了工業、商業和零售場所，以及博物館等文化場所。在左邊，一個具備藍牙的客戶端裝置位於一個房間內，房間內有一個藍牙定位錨(Bluetooth Anchor)，用於接收來自行動裝置的訊息。在右側，房間配備了多個錨點。這兩種方法都利用了RSSI，這是對接收訊號強度的一種測量。

在只有一個藍牙錨點(Bluetooth Anchor Node)的情況下，客戶端裝置可以大致在距離錨點一定的範圍內被定位到。這種方法已被用於檢測客戶端裝置是否進入接近目標區域(例如購物中心或博物館)的解決方案中。當存在多個藍牙錨點時，可以使用三邊測量(Trilateration)等複雜運算法，更準確地確定客戶端裝置相對於錨點的位置。

Bluetooth 5.1版本的尋向功能可以確定無線電訊號在行動客戶端裝置和一個或多個固定錨點之間傳播的方向。新標準中提出了兩種解決方案架構，一種是基於無線電訊號在錨點的到達角(Angle-of-Arrival, AoA)，另一種則基於其發射角(Angle-of-Departure, AoD)。AoA技術可用來對行動裝置或標籤的精確位置進行三角測量。AoD技術則是藉由來自多個信標的角度和位置(透過三角定位法)來計算接收裝置在空間中的位置。

在AoA的情況下，行動裝置配備了一個標籤，用於傳輸藍牙尋向訊號，其中包括固定頻率擴展訊號(Constant Tone Extension, CTE)。在此情況下，使用基於網路的引擎，從天線陣列得到的測量可用來確定傳入訊號的角度。如圖2所示，行動客戶端裝置傳輸的訊號，到達組成錨點多天線陣列的各個天線，相對於其他天線有輕微的相移。假設訊號傳播為平面波(Planar Wave)，在每個天線上觀察到的微小相位差可用於計算其到達角。

AoA可應用於即時定位系統(Real Time Location System, RTLS)或追蹤應用的個案。

在AoD的情況下，行動客戶端裝置則是接收由一個或多個天線陣列傳輸的藍牙尋向訊號。在此情況下，如圖3所示，行動客戶端裝置使用傳入訊號的測量值來計算訊號離開天線陣列的方向。使用AoD時，由錨點天線陣列的每個單元(Element)傳輸的尋向訊號到達客戶端裝置時，相對於其他單元會有輕微的相位差。有了這些天線陣列偵測到的幾何形狀訊息，客戶端裝置就可以使用測量的相位差來計算來自天線陣列的訊號的發射角。

AoD可用於實現導航和標示尋向的應用案例。

如圖4所示，室內定位設置可以使用具有多天線陣列的單個錨點。例如，此設置可用於確定行動客戶端裝置位於定位錨點的哪一側。如圖5所示，對精準度要求更高的個案，可使用具有多天線陣列的多個固定錨點來滿足其需求。在此情況下，可以透過三角測量準確地計算資產的位置，並使用來自多個錨點的傳入或傳出訊號的角度來確定它們相交的位置。