[BLE] BLE 5.1 室內定位

在 BLE 5.1 中加入了對角度估測的支援,

此功能可以廣泛利用於室內定位的範疇, 提供公尺以下之定位精確度,

此定位功能利用多天線之技術, 估計目標裝置相對之角度,

又可以分成以下兩種估計之架構: AoA (Angle of Arrival) 和 AoD (Angle of Departure).

來自: https://www.rohde-schwarz.com/ae/solutions/test-and-measurement/wireless-communication/
wireless-connectivity/bluetooth/bluetooth-direction-finding/bluetooth-direction-finding_251246.html

在 AoA 的架構下, 移動裝置需要單一天線, 並發送一特殊訊號 (DF-enabled packet),

固定裝置 (BLE Gateway, BLE GW) 擁有多根天線, 進行角度之估測,

在 DoA 的架構下, 移動裝置依然透過單一天線傳輸,

但是此時, 特殊的 DF-enabled packet 由 BLE GW 發出, 角度之估測則在移動裝置進行,

在 BLE 5.1 的架構下, 裝置必須發送一特殊訊號, 

也就是上述的 DF-enabled packet, 其中 DF 為 Direction Finding  的縮寫,

此訊號的特色為包含一串 Constant Tone Extension (CTE) 訊號,

用以提供固定的波型 (waveform) 和頻率 (frequency) 的訊號,

以供接收端進行 IQ 的分解 (顯示收到訊號的的強度和相位改變),

進行之後之角度估測.

https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/05/BTAsia/1145-NORDIC-Bluetooth-Asia-2019Bluetooth-5.1-Direction-Finding-Theory-and-Practice-v0.pdf

在角度估測部分, 以 AoA 為例,

移動裝置發出 DF-enabled packet, 而 BLE GW 依序從不同天線接收, 

因此, 每根天線可以解出目標訊號的不同相位數值,

假設天線距離夠小 (小於半波長), 兩兩天線之間的相位差即可換算出角度,

然而, 需要注意的是, 在 BLE 5.1 的定位架構下,

純粹採用 IQ 的估計以及相位差作為觀察數值, 

而相位, 為一循環數值, 在 0-360 度之間進行變換, 

因此, 我們無法知道此訊號經過多少個週期到達 BLE GW, 並回推距離,

考慮到我們只有角度之資訊, 在此定位框架下, 

我們需要多個具直視路徑的 BLE GW 進行協同定位, 才可到達較佳的定位結果,

同時, 天線陣列的擺放方式, 也會嚴重的影響整體定位效能.

參考資料:

• https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/Files/developer/1903_RDF_Technical_Overview_FINAL.pdf
• https://www.rohde-schwarz.com/ae/solutions/test-and-measurement/wireless-communication/wireless-connectivity/bluetooth/bluetooth-direction-finding/bluetooth-direction-finding_251246.html
• https://www.bluetooth.com/wp-content/uploads/2019/05/BTAsia/1145-NORDIC-Bluetooth-Asia-2019Bluetooth-5.1-Direction-Finding-Theory-and-Practice-v0.pdf
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/56621632