淺談藍(lán)牙技術(shù)的演進(jìn)

藍(lán)牙技術(shù)是被廣泛應(yīng)用的短距無線連接技術(shù)，根據(jù)藍(lán)牙特別興趣小組的估計(jì)，到2024年，每年的藍(lán)牙連接數(shù)量在50億以上，并且將以9%的年復(fù)合增長率持續(xù)增加。藍(lán)牙設(shè)備類型包括只支持經(jīng)典藍(lán)牙的設(shè)備、只支持低功耗藍(lán)牙的設(shè)備以及雙模設(shè)備。其中最主要的增長來自于低功耗設(shè)備的增長。

經(jīng)典藍(lán)牙指的是藍(lán)牙4.0之前的藍(lán)牙版本，典型應(yīng)用是傳統(tǒng)的藍(lán)牙耳機(jī)設(shè)備。低功耗藍(lán)牙指的是藍(lán)牙4.0及之后的藍(lán)牙版本，典型應(yīng)用是低功耗的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如藍(lán)牙標(biāo)簽等，其中藍(lán)牙5. 2引入了藍(lán)牙音頻功能。當(dāng)前藍(lán)牙特別興趣小組的最新版本是藍(lán)牙5.4版本。下一代最新藍(lán)牙技術(shù)的版本和特性集合在剛剛過去的藍(lán)牙特別興趣小組在倫敦的會(huì)議中完成了定義，下一代藍(lán)牙規(guī)范的版本是藍(lán)牙6.0，不是我們之前想的藍(lán)牙5.5，預(yù)計(jì)發(fā)布時(shí)間是2024年9月份。

藍(lán)牙的應(yīng)用并不是基于我們比較熟悉的IP架構(gòu)，而是基于Profile的應(yīng)用架構(gòu)。在低功耗藍(lán)牙中除了藍(lán)牙音頻這個(gè)比較大的功能之外，基于藍(lán)牙的短距定位功能逐漸的引起了人們的注意。事實(shí)上，定位功能一直是人們的剛需，例如利用衛(wèi)星提供的定位功能已經(jīng)深入了人們的日常生活，基于宏基站的LBS技術(shù)也被很多國家定義為法規(guī)必選技術(shù)，例如E911的功能。而短距定位也有著廣泛的應(yīng)用場景。例如智能家居，倉儲(chǔ)物流以及車載設(shè)備等，近期UWB技術(shù)也主打短距高精度定位的應(yīng)用。

這里我們把藍(lán)牙幾個(gè)主要版本的定位方式和性能簡單列了一下。

其中LE 4.0版本主要采用最基礎(chǔ)的利用信號(hào)強(qiáng)弱的方式進(jìn)行定位，勝在成本低廉，實(shí)現(xiàn)簡單，但是定位精度不高。

而藍(lán)牙5.1引入了AoA和AoD技術(shù)進(jìn)行測向。其中AoA技術(shù)跟UWB技術(shù)的AoA的技術(shù)原理一致，只不過信號(hào)體制不同而已。技術(shù)上都是假設(shè)一個(gè)終端設(shè)備（固定或移動(dòng)）基于遠(yuǎn)場條件發(fā)射平面波信號(hào)，被多天線設(shè)備（固定）接收，根據(jù)多天線設(shè)備的天線距離和不同天線接收信號(hào)的相位差，可以計(jì)算出終端設(shè)備相對于多天線設(shè)備的方向，典型的應(yīng)用包括資產(chǎn)標(biāo)簽，物流跟蹤。AoD技術(shù)原理跟AoA類似，只是場景不同，這里不再贅述。

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細(xì)心的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，藍(lán)牙5.1無論使用哪種方法，在物理層只能測量得到角度信息，那么距離信息是如何實(shí)現(xiàn)的呢？這里通常通過陣列天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)角度的測量，例如圓陣列、面陣列在算法層面實(shí)現(xiàn)距離測量。最終實(shí)現(xiàn)米級定位精度。

下一代的藍(lán)牙版本主要提供了兩個(gè)大的功能，一個(gè)被我們稱為UTP的功能，這個(gè)功能主要是解決了低功耗藍(lán)牙測試過程中傳統(tǒng)DTM模式接線復(fù)雜的問題，相當(dāng)于給研發(fā)和測試人員提供的一項(xiàng)福利。不過最新的會(huì)議結(jié)果是這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)作為藍(lán)牙6.1版本的主要增強(qiáng)特性，預(yù)計(jì)時(shí)間是2025年。作為測試工程師的我，對這個(gè)功能也是期待已久了。感興趣的小伙伴可以去找找作者寫的另外一篇文章。

敏感的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，在藍(lán)牙5.1的定位方案中，我們是需要利用天線陣列來進(jìn)行測向定位的，多天線意味著空間增加，并且成本提高，因此藍(lán)牙技術(shù)也在考慮使用更簡單的方案進(jìn)行定位。因此藍(lán)牙6.0從功能上最重要的技術(shù)演進(jìn)就是提供了Channel Sounding的功能，如果是對通信原理比較熟悉的小伙伴可能對Channel Sounding比較熟悉，一般我們是認(rèn)為該技術(shù)主要通過測量信道沖擊響應(yīng)，來獲取無線信道在特定頻率和帶寬的信道特性，從而改善信號(hào)傳輸，獲得更好的性能。例如LTE和5G在上行都會(huì)有Sounding 參考信號(hào)發(fā)射。而在這里藍(lán)牙利用Channel Sounding進(jìn)行精準(zhǔn)定位。該應(yīng)用的典型應(yīng)用包括無鑰匙進(jìn)入，和室內(nèi)定位。

藍(lán)牙6.0的Channel Sounding有兩種不同的方法，一種是跟UWB非常類似的基于ToF的測量方法，在藍(lán)牙系統(tǒng)中我們稱之為RTT方法，另外一種方法是基于相位測距(PBR)的方式實(shí)現(xiàn)高精度定位(HADM)，在實(shí)際場景中，一般也是多種方法結(jié)合進(jìn)行定位。這里我們主要介紹基于PBR方法的原理和測試，如下：

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在發(fā)射端(Initiator)使用兩種不同頻率的信號(hào)和進(jìn)行信號(hào)發(fā)射，這里不同的藍(lán)牙信道，Channel Sounding使用了新的channel map，信道間隔為1MHz。接收端（reflector）接收到頻率為的信號(hào)之后，回應(yīng)該信號(hào)并且返回到Initiator側(cè)得到相位，同理在第二次發(fā)射中我們利用頻率為的信號(hào)得到了第二個(gè)相位測量值。通過簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算我們可以得到如下公式：

上述方法就是一個(gè)基本的PBR的基本原理，通過多頻信號(hào)的相位測量得到測距結(jié)果。在實(shí)際系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，會(huì)通過進(jìn)一步的方法去改善測距精度以及提高抗干擾能力，例如構(gòu)建Quick Tone Exchange（QTE）來進(jìn)行頻率補(bǔ)償?shù)确椒?，并且利用多次采樣的方法提高測距精度。

最后打一個(gè)小廣告，我們可以看到，藍(lán)牙測距的精度跟射頻的質(zhì)量，頻率穩(wěn)定度，天線切換性能等算法高度相關(guān)，因此一個(gè)強(qiáng)大的測試方案是保證藍(lán)牙定位性能的重要手段，R&S提供從經(jīng)典藍(lán)牙到最新版本的低功耗藍(lán)牙的完備的測試方案，測試方案覆蓋產(chǎn)線，研發(fā)，認(rèn)證。其中R&S緊跟藍(lán)牙最新標(biāo)準(zhǔn)，近期會(huì)基于CMW500/CMW270推出藍(lán)牙6.0的測試選件，CMW-KS725和CMW-KM725，測試項(xiàng)目包括如下發(fā)射接收指標(biāo)測試。

Transmitter testing

·Stable phase test

·Companion signal verification

·Step mode frequency verification

·Antenna switching integrity (ASI)

·Power ramp profile, ramp down

Receiver testing

·Phase measurement accuracy

·RX antenna switching integrity (ASI)

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