蓝牙信道探测技术测距原理

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蓝牙信道探测(Channel Sounding)技术,作为蓝牙核心规范6.0中的一项关键技术革新,凭借其显著提升的蓝牙距离测量精度,为众多创新应用铺设了坚实的基石。这一全新的安全、精密测距功能有望提高蓝牙互联设备的便利性、安全性和保障性为设备带来真实的距离感知功能,为开发人员和用户创造更多可能性。

我们安排了一系列文章来解析蓝牙信道探测技术。本文将首引领大家探讨蓝牙信道探测的测距原理,在随后的文章中,逐步解析蓝牙信道探测的链路层协议、Profile协议,以及泰凌的蓝牙信道探测测距方案。

当前市场上,基于蓝牙的定位技术主要有以下4种:

  • 蓝牙广播:在设定的范围内持续向周围环境发送广播,它允许发射设备主动广播其存在信息,扫描设备则能感知并识别这些信号,从而确定发射设备在有效范围内存在,缺点缺少距离感知。

  • RSSI(接收信号强度指示)测距法:利用蓝牙信号在空中传播时随距离增加而自然衰减的特性,RSSI测距技术提供了一种简易而有效的距离估算方法。接收设备通过分析接收到的信号强度,能够大致推断出与发射设备之间的距离,缺点是精度有限,缺乏安全防护措施。

  • 基于AOA/AOD的蓝牙寻向功能:AOA(到达角)与AOD(出发角)技术的引入,可以让接收设备确定信号的来源方向,缺点是容易收到多径效应和反射的影响,对多天线设计的技术门槛要求较高。

  • 蓝牙信道探测:作为蓝牙定位技术的前沿探索,信道探测技术以其卓越的性能脱颖而出。它不仅能够在 100 米范围内实现 +/-50 厘米的测量精度,而且能够实现真正意义上的距离感知,这是 RSSI 测距技术不易实现的。同时,该技术还内置了多层安全防护机制,有效抵御了中间人(MITM)攻击,确保了定位过程的安全性与可靠性。

无线电磁波基础概念回顾

在深入探讨蓝牙信道探测测距技术之前,我们先来了解无线电磁波的几个基础概念参数:

振幅:在无线电波中,振幅通常指的是波的最大位移量,也就是波峰到波谷的距离,它决定了波的强度或能量大小。

周期:周期是波完成一次完整振动所需的时间。对于无线电波来说,周期是其基本特性的一个重要方面,它决定了无线电波的频率(频率是周期的倒数)。

波长(λ):无线电波长是指无线电波传播中,波峰到波峰(或波谷到波谷)之间的距离。

频率与波长之间的关系。

λ = C/f

C为光速,其值为 299792458 米/秒

例如: 频率 2402MHZ的波长

波长(λ)2402 MHZ = C/ f = 12.48095162 厘米

蓝牙信道探测采用了两种成熟的测距方法,即基于相位的测距 (PBR) 和基于往返时间 (RTT),在蓝牙连接的设备之间实现安全、精细的测距。

一、基于相位的测距原理

(Phase Based Ranging,缩写为PBR)

根据通信原理,可以根据信号传播的周期数得到信号传播的距离。如上图所示,假设信号以一个固定频率f传播,传播速度为光速c,信号波长为λ,信号共传播N个周期,那么可以得到传播距离为:

R = N*λ = N * c/f

但是通常设备无法得到发送设备与接收设备之间的信号传播周期数,因此,PBR涉及一种技术通过其他数据得到设备之间的距离,工作原理如下:

下面将给出基于频率与相位差推导距离的详细公式:

这种方法称为双向测距,即第二个设备将信号传回始发设备,以便进行相位测量。

二、基于往返时间的测距原理

(Round Trip Timing,缩写为RTT)

如果在多个频点重复上述步骤,便可以得到高精度距离。关于频点如何选择,蓝牙包如何交互,Channel Sounding如何在两个设备之间建立等问题,将在下一篇文章《蓝牙信道探测(Channel Sounding)链路层协议解析》中介绍,敬请期待。

三、结语

蓝牙信道探测作为蓝牙核心规范 6.0 的关键特性,为蓝牙技术在定位领域的应用开辟了新天地。通过对其测距原理的深入探讨,我们看到了这项技术的巨大潜力。随着后续对链路层协议、Profile 协议以及泰凌蓝牙信道探测测距方案的逐步解析,相信蓝牙信道探测技术将在未来的定位领域发挥更为重要的作用。泰凌微电子在蓝牙信道探测领域的创新,以及即将发布的蓝牙低功耗SDK,这将进一步推动这一技术的发展,为用户带来更多创新解决方案。请继续关注我们的后续文章,深入了解蓝牙信道探测技术。

责编: 爱集微
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