藍牙5.1讓藍牙技術適得其所
2019-04-19
作者
John Leonard，Nordic Semiconductor產品行銷經理
藍牙5.1規範增加了準確的定位能力，這是許多業界期盼的物聯網(IoT)應用的基本用例。
在藍牙5帶來了許多相關功能，帶來技術上的大躍進之後，人們可能會認為這陣子將很難再有令人耳目一新的進展了。不過，儘管新版本的編號只是5.1，和5似乎相差不遠，但藍牙5.1其實也非常重要。
利用藍牙找到要去的路
方位尋向(Direction Finding)是藍牙5.1的一項主要功能，它可以將產品和物品在三維空間中的絕對定位帶入低功耗無線連接的世界。
這是對低功耗藍牙功能庫一項非常重要的補充。Nordic Semiconductor認為它對室內定位應用產生的影響將有如GPS對戶外定位產生的影響一樣大和深遠。GPS技術已經從根本上改變了汽車、人和物品在宏觀尺度上的移動和追蹤，而藍牙的方位尋向功能則可以對建築物和資產內的微觀尺度應用產生相似的影響。
藍牙技術聯盟(SIG)預估，到2022年，每年將會推出4億個藍牙定位服務產品。
建立在藍牙信標的成功之上
使用藍牙技術的即時定位服務(RTLS)已經上市幾年了。這是引入藍牙信標而實現的，藍牙信標可以提供目標之間的距離或接近度(proximity)的近似值，例如，這可能是客戶接近航空公司報到櫃檯的距離。
信標的方法是以接收訊號強度指示(RSSI)為基礎，監測來自訊號源的無線電訊號之強度。RSSI方法很有用，不過，它比較籠統、粗枝大葉。傳統上，RSSI所帶來的單只是距離的資訊，除了距離資訊之外，到達角(AoA)和出發角(AoD)資料也可以為人們帶來精確的方向資訊。
使用角度來定位的方法
AoA和AoD這兩個概念是藍牙5.1方位尋向功能的核心。
使用AoA，設備或標籤(tag)僅使用一根天線發送特定的方位尋向封包(packet)，而接收設備或定位器則具有多根天線，來自標籤的輸入訊號將以彼此相差非常小的時移到達這些天線。這些天線接收的訊號相位變化將會被採樣成訊號的IQ分量。然後，利用定位器這一端所使用的相關演算法，這些樣本資料將會產生精確的座標資訊。
這種方法非常適合特定物品的定位和興趣點(PoI)應用。
AoD方法則與此相反，確定方向的關鍵設備(例如室內定位系統(IPS)中的定位信標)具有一組天線陣列，該定位信標通過天線陣發送封包 。在這種情形下，接收設備(很可能是手機)將在其天線上進行IQ採樣，並且進行座標計算。
設計複雜性
藍牙方位尋向產品的不同設計各有利弊。若使用支援藍牙5.1方位尋向的Nordic元件，定位器標籤的設計與常規藍牙硬體佈局沒有顯著的差異，因此這很簡單，實際上，這將是藍牙方位尋向應用產品的大多數情形。
開發定位器集線器(locator hub)時，需要設計一組天線陣列並將其多工到藍牙SoC，因為藍牙SoC為了避免變得非常昂貴，它並沒有多個天線埠。市場上有一些元件可以協助Nordic SoC來實現此一功能。除此之外，天線陣列可能需要360度覆蓋範圍來捕獲訊號，或者如果它是壁掛式單元，則可能需要180度覆蓋範圍。
現實的期望
大多數的人都同意，準確的室內定位是一項很棒的功能，但是也應該有一點警示性質的指引。所有這些都與傳輸的無線電波有關，而我們無法直接控制它們在發射器和接收器之間的傳輸路徑。使用這項技術時，障礙越少、越不擁擠，且視線(LoS)情境越開闊，定位精度就會越好。當訊號從牆壁、櫥櫃、窗戶和人身體反彈時，相位和訊號強度就會受到影響，並會引入或大或小的誤差。無論如何，這是一種先進的方位尋向解決方案，即使在非常具有挑戰性的情形下，測試結果也非常穩定精確。
簡而言之，這項技術需要針對用例進行實際測試，這樣才能深入地瞭解它是否適合你的產品。
典型用例
如上所述，情境越開放、越不擁擠，就會有更好的準確性。首先，可以看看體育場內的定位系統。由於定位集線器可能位於球場或舞台區域上方，這樣便可接收來自佩戴裝置的傳輸資料。這樣的情境非常開放，座位垂直分層，提供了良好的LoS屬性，所以運作起來應該非常有效。
另一個很好的用例是在家裡或工作場所尋找物品，讓我們把鑰匙作為最常見的「我把它放在哪裡了？」的例子。透過房間裡的定位器集線器，便可順暢地運作。但是，位於另一層的定位器集線器不太可能提供準確的位置，考慮到實體方面的挑戰，這是合理的。
最後，針對緊急情況進行人員定位，這是一個非常有價值的用例。以一座配備了足以覆蓋所有區域的定位器集線器之大型購物中心或辦公大樓為例。例如，當發生火災時，對於那些仍身陷在建築物中的任何人，藍牙5.1的方位尋向技術便可為緊急服務提供與該人有關的非常準確的資訊。這將可協助緊急救援人員直接找到那些困在火場中的人，而無需在整個複雜的建築中進行系統性的搜索(這時救援人員看不到是否有人被困在裡面)，從而節省了寶貴的時間，可以及早或更有效率地進行聯絡和救援或在現場進行救生護理。
