隨著 GPS 的普及，定位已成為無(wú)線設(shè)備的重要功能之一。如今的消費(fèi)者期望實(shí)現(xiàn)微定位，這反過(guò)來(lái)促使無(wú)線技術(shù)針對(duì)微定位的要求進(jìn)行調(diào)整，推動(dòng)定位精度不斷提升。

使用無(wú)線技術(shù)進(jìn)行定位并不是一件新鮮事。然而，在確定了基于位置的新用例后，用戶對(duì)定位精度的要求也在逐年提高。

例如，GPS 系統(tǒng)可以達(dá)到約 5 到 20 米的精度級(jí)別，具體取決于信號(hào)條件。對(duì)于尋找特定建筑物的車主來(lái)說(shuō)，GPS 系統(tǒng)足以滿足需求，但 GPS 的精度水平無(wú)法幫助用戶在商店中查找特定的貨架或在參觀博物館時(shí)找到目標(biāo)畫(huà)作。

如今，基于接收信號(hào)強(qiáng)度的藍(lán)牙和Wi-Fi定位系統(tǒng)可滿足室內(nèi)應(yīng)用的定位需求，例如檢測(cè)幾米內(nèi)人或物的接近程度。不過(guò)，下一代定位技術(shù)旨在實(shí)現(xiàn)更高的精度水平，達(dá)到幾厘米量級(jí)的亞米級(jí)精度，此類技術(shù)也稱為微定位。微定位開(kāi)啟了免提訪問(wèn)控制和資產(chǎn)跟蹤等眾多新一代用例，允許用戶以極其精確的方式與環(huán)境中的各種物體交互。

基于藍(lán)牙5.1核心規(guī)范的系統(tǒng)、基于IEEE 802.15.4z的超寬帶和基于IEEE 802.11az的Wi-Fi下一代定位技術(shù)讓這些新一代的定位應(yīng)用成為可能。

在超寬帶的支持下，藍(lán)牙已經(jīng)從一種低精度定位技術(shù)發(fā)展

為誤差在一米以內(nèi)的高精度定位技術(shù)。

藍(lán)牙 5.1 如何提供微定位？

藍(lán)牙 SIG 在2019 年發(fā)布了全新的藍(lán)牙 5.1核心規(guī)范，加入了用于定向的增強(qiáng)功能。早在 5.1 版本發(fā)布之前，藍(lán)牙便已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位領(lǐng)域，它使用一種稱為接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 （RSSI） 的方法，根據(jù)測(cè)得的路徑損耗來(lái)估算發(fā)射器和接收器之間的距離。

但是，這種方法只能檢測(cè)到發(fā)射器位于某個(gè)圓形區(qū)域內(nèi)，無(wú)法獲知傳入信號(hào)的方向。藍(lán)牙 5.1 規(guī)范通過(guò)提供傳入信號(hào)的角度信息將方向性納入考量。通過(guò)藍(lán)牙 5.1 的到達(dá)角（AoA） 或出發(fā)角 （AoD） 方法，可實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)或?qū)ぢ窇?yīng)用。

藍(lán)牙定向是通過(guò)檢測(cè)藍(lán)牙設(shè)備的到達(dá)角實(shí)現(xiàn)的。

可根據(jù)輸入信號(hào)的角度確定方向。定向時(shí)，藍(lán)牙 5.1 設(shè)備會(huì)傳輸帶定頻擴(kuò)展信號(hào) （CTE） 欄位的數(shù)據(jù)包。CTE 字段是持續(xù)時(shí)間可變的未數(shù)據(jù) 1 位序列，可簡(jiǎn)化接收器上的相位計(jì)算。藍(lán)牙 5.1 接收器使用具有至少兩根天線的天線陣列，并根據(jù)天線之間的相位差、信號(hào)波長(zhǎng)和天線之間的距離計(jì)算入射角。

相比單獨(dú)使用 RSSI 方法，將角度信息與 RSSI 測(cè)量相結(jié)合能夠更準(zhǔn)確地確定設(shè)備位置。

基于藍(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)的定位精度取決于多種因素，包括數(shù)組中的天線數(shù)和天線方向圖，以及根據(jù)相位 I/Q 信息確定角度的后處理算法。此外，現(xiàn)場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也十分重要，因?yàn)檎系K物會(huì)降低 RSSI 和相位精度。不過(guò)，通過(guò)部署多個(gè)定位器進(jìn)行三角測(cè)量，可以顯著改善測(cè)量精度。

基于藍(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)能夠達(dá)到幾十厘米量級(jí)的亞米級(jí)精度，具體取決于實(shí)施情況。在本文編寫(xiě)之際，所有主要芯片組制造商均已添加對(duì)藍(lán)牙 5.1 的支持。

超寬帶（UWB）如何實(shí)現(xiàn)微定位？

UWB 并非一項(xiàng)新技術(shù)。正如IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義的一樣，其首次部署發(fā)生在21世紀(jì)初。當(dāng)時(shí)，UWB 是一種專為替代 USB 而設(shè)計(jì)的高速傳輸技術(shù)，但并未實(shí)現(xiàn)廣泛商用。近年來(lái)，出于測(cè)距目的，IEEE 802.15.4z修訂版本對(duì)MAC和PHY層進(jìn)行了改進(jìn)。

與藍(lán)牙技術(shù)不同的是，UWB 并非使用信號(hào)強(qiáng)度，而是使用飛行時(shí)間 （ToF） 來(lái)估算距離。ToF 衡量的是信號(hào)從發(fā)射器到接收器所花費(fèi)的傳播時(shí)間。由于射頻信號(hào)在任何環(huán)境下均以光速傳播，因此基于ToF的距離估算方法比藍(lán)牙中使用的RSSI方法具備更好的環(huán)境適應(yīng)性。

飛行時(shí)間可提供距離信息。

UWB 不同于藍(lán)牙和Wi-Fi。UWB 并非使用調(diào)制正弦波，而是利用調(diào)制脈沖串來(lái)傳輸信息。UWB 脈沖的持續(xù)時(shí)間非常短，僅有一納秒左右?？紤]到信號(hào)的特性，這種技術(shù)更能適應(yīng)室內(nèi)典型的多路徑環(huán)境，因?yàn)榕c藍(lán)牙或Wi-Fi相比，UWB的短脈沖更不易受到反射信號(hào)的干擾。

UWB 的 ToF 測(cè)量可以通過(guò)角度信息完善，以提供更精確的定位。類似于上文藍(lán)牙 5.1 AoA 部分所述，UWB 錨點(diǎn)接收器采用具有兩根或更多根天線的天線陣列。計(jì)算程序使用每根天線的到達(dá)時(shí)間和天線間隔信息確定傳入信號(hào)的角度。

基于UWB技術(shù)的系統(tǒng)可以達(dá)到10厘米級(jí)別的精度，具體取決于環(huán)境。在本文編寫(xiě)之際，幾家主要芯片組制造商均已提供UWB解決方案，幾家智能手機(jī)制造商也紛紛采用這項(xiàng)技術(shù)，這證明了其發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁。

通過(guò)Wi-Fi 802.11az進(jìn)行微定位

接下來(lái)要探討的是最新且口碑最佳的一項(xiàng)技術(shù)，即已接近完成（目標(biāo)是在 2022 年發(fā)布）的 Wi-Fi 802.11az 下一代定位 （NGP） 標(biāo)準(zhǔn)。與藍(lán)牙類似，Wi-Fi 長(zhǎng)期以來(lái)一直與基于 RSSI 的方法一起使用來(lái)提供定位。不過(guò)，NGP標(biāo)準(zhǔn)建立在一項(xiàng)稱為精細(xì)定時(shí)測(cè)量（FTM）的Wi-Fi功能基礎(chǔ)之上。

FTM 使用往返時(shí)間（RTT）信息來(lái)估算啟用Wi-Fi的網(wǎng)站和接入點(diǎn)之間的距離。RTT 機(jī)制會(huì)使用離開(kāi)時(shí)間 （ToD） 和到達(dá)時(shí)間 （ToA） 的時(shí)間戳。802.11az標(biāo)準(zhǔn)旨在利用 802.11ax （Wi-Fi 6） 標(biāo)準(zhǔn)中的最新功能改進(jìn)傳統(tǒng) FTM。

Wi-Fi 精細(xì)定時(shí)測(cè)量功能測(cè)量往返時(shí)間。

Wi-Fi 6 信號(hào)支持高達(dá) 160 MHz 的通道帶寬，Wi-Fi 7 支持高達(dá) 320 MHz 的通道帶寬，802.11az 的增強(qiáng)功能利用新一代標(biāo)準(zhǔn)中更寬的通道帶寬，有效提高了定位精度。更高的帶寬意味著更高的分辨率，而MIMO操作則可更好地應(yīng)對(duì)多路徑效應(yīng)。

為提高協(xié)議效率，NGP 會(huì)使用 802.11ax 標(biāo)準(zhǔn)中已定義的空數(shù)據(jù)包 （NDP） 幀進(jìn)行波束成形探測(cè)。此外，新標(biāo)準(zhǔn)還利用了Wi-Fi 6的多用戶功能。當(dāng)將基于觸發(fā)器的測(cè)距與上行鏈路和下行鏈路OFDMA結(jié)合使用時(shí)，接入點(diǎn)可以利用單次傳輸有效地從多個(gè)網(wǎng)站獲得測(cè)距信息。此功能極大地減少了交換測(cè)距信息所需的開(kāi)銷，還提高了對(duì)更多網(wǎng)站的可擴(kuò)展性。

在本文編寫(xiě)之際，與采用802.11az NGP技術(shù)的商業(yè)定位解決方案相關(guān)的數(shù)據(jù)仍較為有限。然而，高通 Wi-Fi 測(cè)距白皮書(shū)上發(fā)布的測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，這項(xiàng)技術(shù)在視距和非視距環(huán)境中的表現(xiàn)均十分出色，精度可達(dá)分米級(jí)。

下一代微定位技術(shù)對(duì)比

對(duì)比上述三種技術(shù)的定位精度時(shí)，UWB 的精度最高，可以達(dá)到厘米級(jí)?；谒{(lán)牙 5.1 的系統(tǒng)可達(dá)到亞米級(jí)精度，而基于 802.11az 的 Wi-Fi 部署可達(dá)到分米級(jí)精度。請(qǐng)記住，在討論定位精度時(shí)必須考慮多項(xiàng)因素。環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、天線路徑延遲和其他參數(shù)都可能導(dǎo)致標(biāo)稱精度降低。

除了定位精度之外，還有許多因素會(huì)影響用戶投資新定位技術(shù)的決策，而這些判斷標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。例如，安全性、功耗、成本、現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施、傳輸范圍和互操作性都可能影響決策。

無(wú)論選擇哪種技術(shù)，都需要經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試才能確保最佳性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成功部署。

審核編輯 ：李倩