藍牙定位技術主要應用于室內定位，目前有藍牙感知和藍牙定位兩個應用方向，由于技術特點的限制，現階段的藍牙定位技術精度為10米，難以滿足定位產品市場的需求。2019年藍牙組織發布了藍牙5.1技術，該技術引入尋向功能，將定位精度提升到厘米級。藍牙5.1終端產品的射頻性能，直接影響到應用軟件的方向計算結果，導致定位精度無法達到最佳。潤博君按照藍牙當前的定位技術和最新的5.1尋向技術，針對藍牙5.1的終端，提出一套測試方案，適用于研發和生產中，能夠有效提高終端的定位性能。

一、概述

藍牙技術已經普遍應用于智能手機、健康手環和電腦等電子設備，得到廣泛的關注。據藍牙組織統計，目前有不少于80億藍牙設備，在未來，物聯網高速發展中，藍牙設備的數量會越來越龐大。由于衛星信號受到遮擋后衰減，室內定位一直是衛星定位的死角。近年來，基于現有的無線技術，人們進行了一些室內定位的研究和開發。其中，由于技術成本低，基于低功耗藍牙的定位方案受到人們的追捧，已經在市場上得到實際應用。但是，現有的藍牙定位方案，存在明顯的缺陷，比如，定位精度為1到10米，難以滿足高精度的定位需求。2019年，藍牙組織根據人們在室內定位方面的需求，在藍牙5.1中新增了藍牙尋向功能，結合現有的藍牙定位方案，定位的精確度可達到厘米級。

初始狀態為環回，非跳頻。EUT分別工作在低、中、高三個頻點，回送調制信號為PN9的DH1分組。測試儀通過LMP信令控制EUT輸出功率，并測試功率控制步長的范圍，規范要求在2dB和8dB之間。

二、藍牙定位的應用介紹

無線電波在傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，信號會逐漸衰減。根據此特性，當前的藍牙定位方案基于相同的實現方式：根據測試發信方的信號強度，藍牙受信設備估算與發信方的距離。根據定位的應用場景，主要分為兩個應用方向，藍牙感知技術和藍牙定位技術。

2.1、藍牙感知技術

藍牙感知技術的實現相對簡單：根據發信方的信號強度變化來判斷發信方的位置。如圖1所示，受信方接收到發信方的信號，對信號進行分析后，估算距離遠近，在移動中，隨著距離發生變化，信號強度發生變化，信號增強，則更接近發信方，反之，則遠離發信方。

圖1：藍牙接近

基于藍牙感知技術，目前的應用是物品查找和興趣熱點兩種服務。物品查找主要是針對個人的一些應用，比如尋找個人用品，錢包或者鑰匙。在錢包里放置藍牙設備，用戶根據手機中的一個應用軟件，搜索該藍牙設備，就能監控或尋找錢包。

興趣熱點是指在一些大型公共場所里，在特定的興趣地點安裝藍牙設備，供訪問者搜索。比如，在博物館里，給展品綁定藍牙設備，參觀者用手機上的應用軟件，根據展品上藍牙設備發送的信號，更容易的找到自己感興趣的展位。根據商場里的商店發送的信號，顧客更容易找到自己感興趣的品牌。這些應用場景，都可以通過興趣熱點，使用戶得到更好的服務體驗。

藍牙感知技術，從自身移動時信號強度的變化判斷與發信方的距離遠近變化，在實際應用中，需要“移動”較長的時間，才能找到大約的方向，用戶體驗較差，所以，只能應用于一些簡單的場景。

2.2、藍牙定位技術

藍牙感知技術是端對端的簡單應用，而藍牙定位技術則是相同原理下的一種復雜應用，主要分為實時追蹤和室內定位兩個應用方向。

2.2.1、實時追蹤

實時追蹤，主要應用于資產追蹤或者人物追蹤。例如，物流倉庫中的貨物、叉車和工人，醫院的醫護設備和病人，可以通過實時定位，進行更安全更優化的管理。如圖2，在室內特定位置的安裝藍牙接收機，實時接收從被追蹤者發出的信號，藍牙接收機將各自接收到的信號強度上報給服務中心，通過計算得到被追蹤者的位置。根據平面三點定位的要求，平面上需要安裝至少三個接收機，所有接收機需要構成網絡，由服務中心統一管理。

根據對實時性的要求，可以設置被追蹤者信號的發射周期，發射周期越大，電池的能耗越小，被追蹤者待機時間也越長，該周期的長短直接決定了追蹤位置的刷新率。

圖2：實時定位拓撲圖

2.2.2、室內定位

室內定位，主要是通過提供輔助信號，幫助終端計算自己的位置信息，主要應用于一些大型室內公共場所，例如，大型商場、超市或者辦公樓。在商場里安裝固定位置的藍牙發射裝置，周期性的發送藍牙信號，如圖3，訪客通過手機應用軟件，接收來自固定發射器的信號，通過信號強度計算自己與固定發射器的距離。在平面上，通過至少三個固定發射器的信號強度，就能得出平面上的位置信息。

圖3 室內定位拓撲圖

藍牙定位技術，首先，需要在室內布置一定數量的固定藍牙設備，而且，這些藍牙設備的位置坐標時已知的。其次，通過測量信號強度估算距離，由于估算的精度有限，目前的定位精度為1到10米，該定位精度遠達不到市場的需求。針對該問題，藍牙組織在藍牙5.1中引入了尋向技術，將定位精度提高到厘米級。

三、藍牙5.1：尋向功能

在藍牙5.1新增的幾個功能中，藍牙尋向功能是最重要的特性。根據應用場景的不同，分成兩種尋向方式，到達角度（AoA）和離開角度（AoD）。

3.1、到達角度（AoA）

圖4為AoA的示意圖，發信方為單天線，受信方為多天線。發信方的連續波信號到達受信方后，由于受信方每個天線與發信方的距離差異，到達的時間形成差異，造成了電磁波的相位差異。每個天線上可以得到不同的相位信息，利用天線間的相位差，AoA測試法就可以計算得到與被定位對象的角度。從應用場景上，AoA類似于當前的藍牙實時追蹤技術。

圖4 AoA定位模型

如圖5，d為接收天線陣列中兩個天線的距離，為兩個天線的相位差，為波長。

圖5 到達角度計算

根據公式1，就能計算得到到達角度。

3.2、離開角度（AoD）

圖6為AoD的示意圖，發信方的多個天線組成天線陣列，分時發送同一個連續波信號。由于每個發射天線與接收天線的距離不同，信號到達受信方后，形成了相位差異。利用相位差，AoD測試法就可以計算得到自己與對方的角度。AoD可以替代現在的室內定位模型，用于室內定位。

圖6 AoD定位模型

如圖7，d為發射天線陣列中兩個天線的距離，為兩個天線的相位差，為波長，根據公式1，計算得到離開角度。

圖7 離開角度計算

3.3、藍牙尋向的技術優勢

相對于現有的藍牙定位技術方案，尋向技術的引入，對定位精度的改進有了新的突破口。

首先，藍牙感知是根據接收信號強度的變化，分析距離遠近變化，受無線環境影響，存在較大的不確定性。尋向技術則通過發信方信號，無需信號強弱分析，直接計算發信方的方向。所以，藍牙尋向在物品查找和興趣熱點兩種服務的應用中，優勢更加明顯。

其次，現有的實時追蹤和室內定位的應用中，根據信號強度測距，會帶來很大的誤差。如果引入尋向技術，結合方向信息和信號測距結果，能得到更準確的位置信息。

因此，藍牙尋向的引入，讓藍牙定位有了更大的發展空間。

3.4、藍牙尋向的實現難點

如圖8，藍牙5.1在信號的尾部引入了CTE部分，CTE由內容為全1的符號組成，CTE所含符號的數量由上層協議決定。接收機是通過對CTE數據的采樣分析，得到波長，相位。在計算公式1中，參數波長、相位差和天線距離直接影響了尋向的誤差。

圖8 藍牙5.1的信號格式

首先，波長由發射信號頻率決定。因為（Constant Tone Extension）CTE由全1的符號組成，CTE部分的頻率為調頻后的頻率，真實的波長由載波頻率和調制頻率的準確性來決定。

其次，是接收方通過信號采集，分析得到的結果。如圖9所示，多天線發射或者接收時，需要在各個天線上依次發送信號，每次切換天線時，需要預留一個切換時隙，作為保護間隔。所以，天線切換和相位的連續性也會對尋向計算產生影響。

圖9 CTE信號收發時隙

最后，由于電路板的布置和天線形態的不同，天線距離d存在不確定性，本文在載波頻率為2402MHz，天線距離d為80mm，測試角度不變的情況下，在天線距離d的誤差從0遞增到40mm時，分析對角度計算結果的影響。如圖10，圖中曲線分別為理想角度和實際計算角度，理想角度保持恒定，當天線距離的誤差增大時，實際計算的角度有遞增趨勢。

圖10 天線距離誤差對尋向結果的影響

減少上述因素帶來的影響，就能進行更精確的尋向。而使用測試儀表對產品的性能測試，構建相應的測試模型，能從測試數據上分析產品的尋向精度，同時，也能對產品的尋向結果進行校準。

四、藍牙5.1的測試

根據藍牙尋向產品的分類，藍牙組織在測試規范中分別對到達角度（AoA）和離開角度（AoD）的產品，制定了發射機和接收機的測試項目。

發射機的測試項目，包含發射功率，發射機的載波頻率誤差以及頻譜漂移，另外，AoD產品具有多天線，工作時多天線分時發射信號，所以，需要測試AoD產品天線切換時的射頻性能，保持功率和相位的穩定性。

接收機的測試項目，針對被測件尋向的要求，需要對接收到的信號功率和相位進行計算。AoA產品具有多天線，工作時多天線分時接收，每個天線準確的計算相位信息，是尋向精度的保證。

AoD接收機和AoA發射機，都是單天線產品結構，采取了相同的測試環境。以羅德與施瓦茨公司的綜測儀CMW270為例，如圖11，用射頻線纜連接儀表與被測件，在測試AoD接收機時，儀表發送信號，AoD產品接收信號。在測試AoA發射機時，AoA產品發射信號，儀表分析信號的射頻指標。

圖11 AoD接收機和AoA發射機的測試

AoD發射機和AoA接收機，二者都是多天線的產品結構，所以，需要搭建特別的測試環境，如圖12，在測試儀表CMW270和被測件之間，需要一個額外的合路器或功分器，CMW500模擬單天線終端。

圖12 AoD發射機和AoA接收機的測試

因為測試儀器發送信號的相位和功率是可編輯的，所以，在產品整機的研發和生產階段，利用測試儀表發出的信號，測試整機定位的準確性。如圖13，測試儀在發射信號的相應時隙，改變每個接收天線的對應相位P0、P1、P2和P3，模擬相應的角度。圖中四個天線接收的信號，對應時隙的實測相位為△P0、△P1、△P2和△P3，根據實測相位，被測設備計算得到定位角度。模擬的偏差，即為尋向偏差。

圖13 測試儀表模擬相位變化

如果動態的改變信號的相位和功率，測試儀表可以模擬移動中的定位場景。功率的變化，對應于發信方與受信方之間距離遠近的變化；相位的變化，對應于雙方方向的變化。根據應用場景，按照一定的“速度”來改變發射信號的功率和相位，可以模擬相應的移動速度和軌跡。結合應用程序和地圖信息，可以測試終端在移動場景下的定位能力。

綜上所述，采用測試儀表，可以對藍牙尋向產品的射頻指標進行定量分析，也可以模擬現實的定位場景，進行定位服務的應用測試，在測試中發現和糾正尋向偏差。

五、總結

多年來，低功耗藍牙為消費、零售、醫療保健以及制造領域的各類應用創造了功能強大、低成本的解決方案，尋向技術將使藍牙技術更好地滿足定位服務行業中不斷變化的需求。借助測試儀表，在研發和生產階段對終端產品的測試，能幫助提升定位服務的精度，是產品質量的重要保障。