藍牙室內定位技術綜述及展望

彭業順 李嘉玲 徐振飛 何觀寰 賈 坡

（威凱檢測技術有限公司 電子與通信事業部 廣州 510663）

引言

隨著物聯網和人工智能的不斷發展，定位技術在工業智能、自動駕駛等多個領域扮演著愈發重要的角色。定位技術按照使用場景不同劃分為室內定位和室外定位。人類70 ～ 90 %的時間都是在室內活動，因此，室內定位技術在工業界和學術界掀起一陣熱潮[1,2]。文獻[3,4]中數據指出，2022年室內定位的市場規模預計達到409.9億美元，基于位置的服務（Location Based Service，LBS）將遍布辦公場所、停車場、機場、大型商場、醫院、高檔酒店、博物館、養老院等人流密集之處，LBS通過定位導航為用戶提供更精確、更高質量的服務。在垂直應用領域，如智能門鎖、智慧園區、智能物流、礦井、消防等，精準的室內定位服務帶來安全、便捷、高效用戶體驗，實現智能化資產管理與追蹤，降低產業成本和特種作業風險。

目前常見的室內定位技術包括WIFI定位、藍牙定位、紅外定位、超帶寬（Ultra Wideband，UWB）定位、Zigbee定位、射頻識別（RFID）定位、超聲波定位、LED定位等。不同的定位技術以及配置方案，其定位精度、穩定性、實施成本也不盡相同。其中藍牙技術受益于標準規范的不斷更新迭代和推廣，藍牙生態的應用豐富多彩。相比其他定位技術，藍牙AoA（Angle of Arrival，到達角）定位技術兼具高精度、低成本、低功耗、高并發、高兼容性等特性優勢。

本文通過介紹藍牙AoA定位技術，并討論了和藍牙AoA高精度定位技術融合的室內多技術定位系統，指出了藍牙AoA高精度定位技術面臨的挑戰和機遇。為大數據、云計算、機器學習和人工智能等技術催生出多樣化和智能化的LBS產業提供實時高精度定位的技術方案和參考。

1 藍牙定位技術的發展

1.1 基于范圍檢測的定位方法

根據不同功率等級的藍牙設備的信號覆蓋范圍不同這一特性，藍牙定位研究中引入了范圍檢測思想（也稱Cell-ID思想）。2003 年 Anastasi G 等人[5]實現了一個基于Cell-ID的藍牙IPS（Indoor Positioning system，室內定位系統）用來追蹤移動用戶在建筑物內的走動和站立，藍牙IPS達到了“房間級”定位精度。同樣是基于Cell-ID思想，文獻[6]將藍牙技術與3G網絡技術進行融合，實現一個定位精度為10 m的的定位網絡。Chawathe. S. S等人[7]利用Cell-ID 的思想將藍牙beacon間共同覆蓋區域標記，提出了一種決定移動終端位置的新方法。該些方法充分利用了藍牙短距離接收范圍不同的特性、藍牙設備的低成本和易布置等優勢。

1.2 基于信號強度的定位方法

基于范圍檢測的方法的定位精度只能達到“房間級”，無法滿足室內定位更高精度的需求，文獻[8-13]開始探索利用藍牙RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信號強度）來提高藍牙定位精度。這種方法是根據藍牙信號傳播的空間關系來確定藍牙設備的位置坐標。

Kotanen. A等人[8]引入信號傳播模型，構建了RSSI值與距離的函數關系，也加入了卡爾曼濾波算法來估計3D位置，定位精度為3.76 m。文獻[9]利用藍牙發射端和接收端間的距離與RSSI值的相關性，實現了一種基于藍牙RSSI的定位系統。該系統提出了三角定位公式（LSE），定位誤差為2.06 m。Bandara U等人[10]提出了一種多天線接入點的方法，解決了室內環境下信號強度受到多徑衰退，干擾等影響和藍牙建立連接時間過長的問題。文獻[11,12]同樣都是基于RSSI與距離的相關性，利用信號傳播模型計算距離，其中文獻[12]還用貝葉斯濾波算法分別對靜態和移動用戶的位置進行估計。文獻[13]中采用指紋標定Fingerprinting的定位方法，采集了辦公環境的藍牙RSSI數據，系統的定位精度達到2.5 m。

以上基于RSSI的藍牙定位研究中，都廣泛采用了信號傳播模型的方法。但是在實際應用環境中很難找到一個準確的信號傳播模型來計算RSSI與距離的對應關系。因此，基于RSSI的藍牙定位方法精度基本只能實現米級定位，很難突破至更高精度。

1.3 基于AoA的定位方法

2019年初，藍牙聯盟SIG（Special Interest Group）在藍牙標準規范5.1中引入了“尋向”功能。這個功能可以檢測藍牙信號的方向，相比過去通過RSSI實現的指紋定位，“尋向”功能極大提高了定位精度。一般情況下，藍牙5.1中的“尋向”功能的定位精度可以達到亞米級，藍牙定位技術也進入了高精度定位領域范疇。

藍牙高精度定位技術根據被定位終端的上下行模式不同，分為AoA到達角法和AoD（Angle of Departure）出發角法。但是，無論是AoA還是AoD，其角度檢測的基本原理都是相同的。通過天線陣列獲取信號在不同陣元上的相位差，然后通過信號角度估計算法獲得來波方向信息。藍牙5.1標準規范中為了更好地支持AoA/AoD，專門制定了信號IQ采樣及CTE（Constant Tone Extension）的相關技術要求。

AoA到達角度法是利用單一天線發射尋向訊號，而接收端的裝置內建天線陣列，當信號通過時，會因陣列中接收到的不同距離，產生相位差異，進而計算出相對的信號方向；AoD出發角度法則與前者相反，由已經固定位置具備天線陣列的設備來發送信號，傳給單一天線終端，終端可以透過接收的信號計算出來波方向，進而定位。如表1所示，將AoA方法和AoD方法在發射端和接收端的定位特性進行了對比。從表1可以看出，接收端信號要進行I/Q采樣，數據處理較復雜；相比發射端的AoA方法，發射端的AoD方法采用的是基站定位和天線陣列，系統成本和技術復雜性更高。所以，目前的藍牙室內定位系統優先考慮藍牙AoA定位。

表1 AoA方法及AoD方法的發射端和接收端對比

2 室內定位技術

除了藍牙定位的方法外，其它無線通信技術中也被用作室內定位，下面從定位測量方法和定位信號源的角度同主流的基于無線定位的室內定位技術進行比較。

2.1 定位測量方法對比

目前常用的無線定位測量方法包括ToA、TDoA、RSSI和AoA。

2.1.1 ToA

ToA（Time of Arrival）又稱 TOF（Time of Flight），測量信號從移動終端到基站的到達時間，從而計算基站與移動終端間距離。

ToA測量的定位方法也稱多邊定位方法。如圖1所示，移動終端P是以三個基站A、B、C為圓心的圓交點。A、B、C三個基站的位置已知，與移動終端P的距離分別為R1、R2、R3。距離可以根據信號從移動終端到基站的傳播時間為t和電磁波信號的傳播速度為c進行計算，三個圓的半徑分別為c×t1、c×t2、c×t3。

圖1 ToA定位（三邊定位）原理

2.1.2 TDoA

基于時間到達差（TDoA，Time Deference of Arrival）的定位法是利用不同基站對的信號到達移動終端的時間差進行定位計算。利用了雙曲線的幾何原理：一動點到兩定點距離為定值的軌跡是雙曲線。移動終端位于兩對雙曲線交點位置，此方法不要求基站與移動終端的時鐘嚴格同步，不僅簡化系統，還降低成本。

TDoA定位原理如圖2所示。移動終端P位于兩對雙曲線的交點處，兩對雙曲線的焦點是A、B、C三個已知位置的基站。d1、d2、d3分別為移動終端P到基站A、B、C的距離，由雙曲線的幾何特性可知，d1-d2、d1-d3為定值。那么移動終端P的位置可以通過求解兩個雙曲線方程得到。所以，TDoA定位也稱雙曲線定位。

圖2 TDoA定位（雙曲線定位）原理

2.1.3 RSSI

移動終端根據當前測量值與數據庫中數值匹配，從而確定移動終端的大致位置。RSSI定位分為信號模型定位和場強指紋定位兩種。

信號模型定位是通過一些已知信號在自由空間傳播遵循的固定衰減模型，得到信號強度RSSI與距離d遠近的準確關系如下：

式中：

Pd—移動終端接收到的信號強度；

P0—距離基站d0處的信號強度；

n—信號衰減系數。

場強指紋定位是測量移動終端的接收功率，然后與指紋庫的絕對功率做匹配，確定到達基站為最小歐式距離的移動終端坐標，最后對坐標進行加權平均運算獲得定位結果。由于場強指紋法需要補償功率差，過程較復雜，實現實時追蹤難度較大。

2.1.4 AoA

AoA定位的發射端為單天線的移動終端，接收端是天線陣列的基站，測出移動終端發總至基站的無線信號在不同天線間的相位差，計算信號到達角，最后根據三角形的幾何原理，求解移動終端位置。所以，AoA定位也稱三角定位。如圖3所示，AoA定位方法只需兩個基站可確定移動終端位置，移動終端P的信號到達兩個基站A、B的角度分別為θ1和θ2。

根據三角形幾何知識將圖3中移動終端P位置求解轉化為圖4中P點坐標求解。由于基站A、B的位置信息已知，通過公式變換，消除變量ri，易求得待移動終端P點坐標。

圖3 AoA定位（三角定位）原理

圖4 AoA算法示意圖

相比ToA、TDoA和RSSI，AoA定位不需要時間同步，而且實現同維度的定位目標所需要的基站數量最少，但該方法必須要有方向性較強的天線陣列支持?；谒姆N定位測量方法的特點比較如表2所示。

表2 定位方法對比

2.2 室內定位技術對比

2.2.1 WIFI定位

WIFI就是基于IEEE802.11b標準的無線局域網，它已廣泛應用于生活和工作中。使用WIFI信號定位不需要額外增加設備，定位成本較低，利于普及推廣。目前主流的WIFI定位方法是基于RSSI的指紋定位法，定位精度約5～10 m，這取決于基準點的密度大小。

2.2.2 UWB定位

UWB定位系統通常包括UWB基站、定位標簽。UWB技術是一種無載波通信技術，通過發送納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖來傳輸數據，在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號。由于UWB的高帶寬，理論上可基于ToA或TDoA方法實現厘米級的定位。但UWB系統建設成本較高，影響了UWB技術的應用及推廣。

2.2.3 藍牙 RSSI定位

與WIFI定位原理相同，早期藍牙定位是基于RSSI的信號模型定位法和場強指紋匹配法。因為大多數智能手機都自帶藍牙功能，極大方便了藍牙技術的應用和藍牙設備部署。最常見的藍牙定位技術是基于藍牙4.0的iBeacon技術，定位精度在2 ～ 10 m范圍，取決于藍牙信標的部署密度。iBeacon技術尚未大規模工程應用，其原因在于高密度部署藍牙信標會使得系統成本偏高。

2.2.4 藍牙AoA定位

藍牙5.1版本的AoA/AoD定位技術讓歷經20多年發展的藍牙技術煥發了蓬勃生機。目前基于藍牙AoA定位技術的實時定位系統和IPS在智能建筑、智能工業、智慧城市等領域的眾多場景中（包括智慧工廠、倉儲物流、醫療養老、商超零售、能源化工、機場車站、博物館體育館等）得到應用，全球藍牙相關設備產品的出貨量有千萬量級，在資產定位、人員定位、室內導航等方面發揮重要作用。

藍牙AoA定位系統設計需要克服信號反射干擾、開關時間補償、角度值誤差以及極化狀態干擾等困難。通常情況下可以通過增加陣元個數、增加快拍數、用改進計算算法抑制噪聲以及卡爾曼濾波處理等方法提高定位精度。一般情況下，藍牙AoA定位精度可以達到0.3 ～ 0.5 m。

2.2.5 藍牙AoA定位技術優勢

基于目前室內無線定位技術研究[13-19]，對主流的幾種室內無線定位技術的對比分析如表3所示。結合表3可以總結藍牙AoA定位綜合優勢有以下幾點：①精度高。0.3 ～ 0.5 m高精度定位，與UWB同一個精度級別。②容量大。正向單基站1 Hz下500標簽，反向播發容量無限。③功耗低。低功耗藍牙標簽電池最高續航超過5年。④成本低。系統成本遠低于UWB，標簽成本最低幾十元；⑤生態豐富。各類藍牙終端每年新增數量為千萬量級，為手機提供精確LBS。

表3 室內無線定位技術對比

3 藍牙AoA定位技術的機遇和挑戰

3.1 挑戰

3.1.1 如何保證藍牙AoA定位的高精度

高精度室內定位可以在更多細分的應用領域找到更多需求。要實現高精度定位就是要將實時的位置信息數字化，即時間和空間信息的數字化。這個系統工程要考慮定位信息的刷新頻率、功耗及系統容量等因素。

目前藍牙AoA精確定位主要面臨以下四個方面的挑戰：①信號反射干擾；②開關時間補償；③角度值誤差；④極化狀態干擾。

3.1.2 安全和隱私

安全與隱私問題一直是互聯網和物聯網應用中密切關注的熱點，而目前的室內定位系統尚未有可靠的解決方案，尤其是設計網絡的虛擬運營商服務和云計算的定位方案，容易泄露用戶的位置數據。藍牙AoA定位除了要考慮這些原因外，也要增強藍牙無線通信數據保密性和通信鏈路的安全可靠性。

3.1.3 室內定位缺乏統一標準規范體系

制定規范的行業標準和認證是確保一個行業快速無縫銜接的基礎, 從而確保建立跨芯片組、設備和基礎設施服務的室內定位生態系統。但是，目前不同的室內定位技術在區域覆蓋、維護管理成本、定位精度等方面存在各自的不足之處，室內定位技術沒有形成相互補充的統一標準，缺乏適應室內復雜環境的成熟定位方案。

3.1.4 基建設施覆蓋范圍不夠

高精度室內定位領域，藍牙AoA與UWB的競爭愈發激烈。在新基建的風口上，藍牙AoA能否大規模進行基礎設施建設，實現信號大范圍覆蓋，讓大規模的應用落地，是今后發展的關鍵。

3.2 機遇

3.2.1 室內多技術融合定位

迄今沒有單一的室內定位方案適用于所有室內環境，因此基于多種測量方法和多種室內定位技術融合的IPS會是未來解決室內定位問題的趨勢[20-23]。融合室內定位方法通過實現不同室內定位技術的互補，增強融合室內定位方案對復雜環境的適應性。融合室內定位方法由信源、算法和融合權重三部分組成。信源是通過室內定位技術獲得的帶融合數據，算法處理數據獲得定位結果，合理分配融合權重產生最優位置估計。

藍牙AoA定位技術優勢會讓其在未來室內做技術融合定位系統中大放異彩。IndoorAtlas的室內定位方案是PDR（Pedestrian Dead Reckoning，行人航跡推算）+地磁+BLE+WIFI+氣壓，用來追蹤人員或設備資產。AiRISTA Flow融合了WIFI+BLE+RFID+IR四種無線通信技術，應用場景為病人管理的醫療服務、資產追蹤、員工工作流程，定位精度為分米級，成本較低。

此外，BLE-AoA已經加進了藍牙標準規范，這可以推動室內定位技術的標準加速建設，避免重復部署位置基站。

3.2.2 室內外聯合定位

無線定位技術未來的發展方向將是室內室外跨場景、跨區域的聯合定位[24-26]。Phunware公司的BLE/vBLE/WIFI+Fingerprinting定位方案，實現了室內定位與室外導航無縫切換，成本不高，但定位精度達到米級。對于未來智慧機場、智慧城市、大型商場、寫字樓等場景，定位系統應應將室外行車路線、室內步行路線、地下車位信息、樓層信息、商戶商品位置信息以及其他數據，為用戶推送室內外精準信息和實時需求，提供多元化、一體化服務。室外地圖以路況信息和智能交通為主，室內地圖則需要提供直觀的樓層信息，并將區域功能信息、商品或服務信息、人流信息嵌入其中，但室內地圖和室外地圖仍未能實現完全的網絡互連、數據融通。下面以新基建中的智慧路燈和5G網絡為例給室內外聯合定位提供一些新的解決方案。

智慧路燈將通信技術與傳統城市公共基礎設施融合的典范，在“新基建”的政策下，藍牙技術在智慧路燈建設中必將占據一席之地。藍牙技術不僅能夠實現路燈智能化升級組網，還能將藍牙定位技術與智慧路燈結合。導入藍牙精確定位技術，搭配微型定位標簽，對指定的人或車輛進行定位追蹤，并推播及時訊息，使智慧路燈成為路間數據的關鍵載體，彌補GPS定位在高架橋、鋪路、隧道以及其他因建筑遮擋嚴重的地點不適用的問題。

藍牙AoA的定位精度高雖然高，但通信能力不足。所以，將藍牙AoA定位與5G基站聯合部署，既可以減少因重復鋪設基站帶來的公用資源浪費，也可以將高精度定位與5G通信進行協同和聯合。這種聯合定位的方案，將實現海量應用的物聯網中通信導航一體化的需求。同時，聯合定位結合邊緣計算、霧計算等技術，可以使5G通信網絡為傳統定位技術助力、賦能。

4 結論

藍牙AoA定位技術在物聯網高精度室內定位領域中有著獨特優勢和廣闊應用前景。雖然，未來的室內定位中不可能只用單一技術適應復雜多變的室內環境，但是藍牙AoA也會在多技術融合或聯合中迸發蓬勃生命力。