藍(lán)牙到達(dá)角室內(nèi)定位抗干擾優(yōu)化研究

鄧詩(shī)凡蔣 偉楊俊杰隋志成姜少偉

藍(lán)牙到達(dá)角室內(nèi)定位抗干擾優(yōu)化研究

鄧詩(shī)凡1，蔣 偉1，楊俊杰1，2，隋志成2，姜少偉3

（1. 上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306；2. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306；3. 上海正勤電子有限公司，上海 201199）

針對(duì)信號(hào)標(biāo)簽在基于藍(lán)牙5.1到達(dá)角（AOA）技術(shù)中因方向改變引起的定位結(jié)果不精準(zhǔn)問(wèn)題，提出一種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動(dòng)性管理方案，能夠有效減輕因信號(hào)標(biāo)簽方向性所帶來(lái)的多徑效應(yīng)，提升室內(nèi)實(shí)時(shí)定位精度，并實(shí)現(xiàn)其移動(dòng)過(guò)程中的連續(xù)定位。最后對(duì)接收端設(shè)備的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，結(jié)合接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）實(shí)現(xiàn)接收端設(shè)備的動(dòng)態(tài)選擇，并進(jìn)行移動(dòng)性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用移動(dòng)性管理方案后，系統(tǒng)定位結(jié)果受到信號(hào)標(biāo)簽位置和方向的影響減弱，定位精度得到有效提升，點(diǎn)位均方根誤差（RMSE）達(dá)到25.94 cm。

藍(lán)牙5.1；到達(dá)角；室內(nèi)定位；多徑效應(yīng)；移動(dòng)性管理

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，各行業(yè)的制造商、供應(yīng)商、零售商、分銷(xiāo)商到消費(fèi)者都開(kāi)始使用室內(nèi)定位技術(shù)，以提高其商品和資產(chǎn)在供應(yīng)鏈和工作環(huán)境中的可見(jiàn)性[1]。受衛(wèi)星信號(hào)穿透性的影響，尤其是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑中，如廠房、會(huì)展館以及地下車(chē)庫(kù)等[2]，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation stellite system, GNSS）無(wú)法應(yīng)用[3]5，因此室內(nèi)定位系統(tǒng)（indoor location system, ILS）應(yīng)運(yùn)而生。在國(guó)內(nèi)外，室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展迅猛，目前的主流室內(nèi)定位技術(shù)包括無(wú)線保真（wirless fidelity, WiFi）、超寬帶（ultra wide band, UWB）、藍(lán)牙、慣性導(dǎo)航等[3]6-9。其中，基于藍(lán)牙4.0的低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)引入了藍(lán)牙信標(biāo)，通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示（received signal strength indication, RSSI）對(duì)信標(biāo)進(jìn)行定位，構(gòu)建起第一代藍(lán)牙位置服務(wù)（bluetooth location services, BLS）。相較于其他定位技術(shù)，藍(lán)牙定位技術(shù)具有連接快、功耗低、信號(hào)傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)[4]。在2019年，全新推出的藍(lán)牙5.1核心規(guī)范中加入了測(cè)向功能，該功能基于無(wú)線射頻通信的到達(dá)角（angle of arrival, AOA）技術(shù)和離開(kāi)角（angle of departure, AOD）技術(shù)[5]，使得藍(lán)牙定位技術(shù)能夠支持更加準(zhǔn)確可靠的室內(nèi)藍(lán)牙位置服務(wù)。

但是在室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景中，存在較多光滑反射面，AOA接收端容易受到反射信號(hào)的干擾，導(dǎo)致方向角計(jì)算不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響定位精度。同時(shí)，因發(fā)送端設(shè)備的天線存在一定方向性，會(huì)對(duì)方向角的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生復(fù)雜且疊加的影響。針對(duì)以上問(wèn)題，本文從藍(lán)牙AOA接收端設(shè)備的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)著手，提出一種自適應(yīng)移動(dòng)性管理方案，旨在優(yōu)化解決因信號(hào)標(biāo)簽（tag, TAG）天線方向性所導(dǎo)致的多徑信號(hào)干擾問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

1.1 AOA定位方法

最初的系統(tǒng)以主端定向天線為基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)整天線的不同朝向，并記錄下各朝向的RSSI，以RSSI最強(qiáng)的方向?yàn)樾盘?hào)的起源方向。如今，無(wú)線射頻測(cè)向技術(shù)引入了如針對(duì)室內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度指紋定位算法及其相關(guān)改進(jìn)算法[6]、基于信號(hào)強(qiáng)度比值的定向方法[7]等新方法。藍(lán)牙5.1 中引入了支持高精度測(cè)向的新功能，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中準(zhǔn)確測(cè)出來(lái)向信號(hào)的方向參數(shù)[8]。藍(lán)牙AOA射頻測(cè)角技術(shù)相較于傳統(tǒng)RSSI定位在精度上能夠得到很大的提升，功耗也相對(duì)較低[9]，并且能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的問(wèn)題提供眾多高效的解決方案[10]。

圖1 基于AOA利用相位差計(jì)算到達(dá)角

1.2 藍(lán)牙定位干擾分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)基于數(shù)臺(tái)易連（SimpleLink?）多標(biāo)準(zhǔn)CC2652R無(wú)線微控制單元（microcontroller unit, MCU）啟動(dòng)臺(tái)（LaunchPad?）開(kāi)發(fā)套件所搭建的硬件環(huán)境，同時(shí)選用矩陣實(shí)驗(yàn)室（matrix laboratory, MATLAB）搭建軟件環(huán)境，以便對(duì)硬件系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集上傳的同相/正交數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。在此基礎(chǔ)上，考慮到實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（real time location system，RTLS）的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，在接收端設(shè)備與主機(jī)端之間引入一款帶有網(wǎng)絡(luò)串口透?jìng)餍酒珻H9121的模塊，該芯片可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和串口數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。通過(guò)交換機(jī)將所有接收端設(shè)備連接，收集各接收端上傳的數(shù)據(jù)包，或是分發(fā)應(yīng)用端下達(dá)的指令。這樣便完成了整個(gè)RTLS平臺(tái)的搭建，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，圖3為實(shí)際環(huán)境布置。

圖2 實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）架構(gòu)

圖3 RTLS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)測(cè)環(huán)境

1.2.2 干擾實(shí)驗(yàn)

室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境所帶來(lái)的多徑效應(yīng)以及與藍(lán)牙2.4 GHz同頻段的無(wú)線信號(hào)干擾是影響藍(lán)牙AOA定位精度的主要因素，而室內(nèi)的多徑傳播一直是困擾無(wú)線通信應(yīng)用于室內(nèi)定位的難題[11]，為了探究同頻干擾及多徑效應(yīng)對(duì)于平臺(tái)定位精度的影響，設(shè)計(jì)了以下2個(gè)實(shí)驗(yàn)。

圖4 多TAG互擾測(cè)試

圖5 和互擾測(cè)試點(diǎn)位

由于CC2652R LaunchPad開(kāi)發(fā)套件上所采用的天線是印制電路板（PCB）水平極化天線[12]，且在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，TAG的朝向具有不確定性，因此需要測(cè)試該環(huán)境下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于TAG朝向的兼容性，以及TAG中天線在實(shí)測(cè)環(huán)境中的表現(xiàn)。變更2個(gè)TAG的朝向，相較圖4中TAG的朝向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

圖6 和定向?qū)崪y(cè)角度

圖7 和定向測(cè)試點(diǎn)位

1.2.3 定位結(jié)果分析

圖8 和定向測(cè)試點(diǎn)位RMSE

2 AP拓?fù)鋬?yōu)化

前文中所涉及的定位實(shí)驗(yàn)均是在2個(gè)AP平行放置的平臺(tái)下進(jìn)行，對(duì)TAG的方向較為敏感。又因室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)在傳輸過(guò)程中極易產(chǎn)生反射、衍射、穿透損耗，導(dǎo)致多徑信號(hào)在接收端處疊加，使原本信號(hào)的頻率、幅度在疊加后劇烈波動(dòng)，對(duì)接收端AP的信號(hào)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)不小的難度，需要針對(duì)復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境并基于藍(lán)牙定位平臺(tái)提出更加有效的多徑解決方案。

為了解決TAG方向性對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響，減輕由此產(chǎn)生的多徑效應(yīng)影響，本文提出了一種多AP（3個(gè)及以上）的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)移動(dòng)性管理方案，如圖9所示。

圖9 多AP藍(lán)牙AOA平臺(tái)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖9所示的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以3個(gè)AP所形成的最佳三角定位區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)，每增加1個(gè)AP，便擴(kuò)展出一塊新的三角定位區(qū)域。該方案具有極好的可擴(kuò)展性，能夠用于地下停車(chē)場(chǎng)、辦公樓等大型室內(nèi)場(chǎng)所的定位組網(wǎng)。

雖然單個(gè)AP的信號(hào)接收范圍有限，對(duì)多徑信號(hào)的處理能力也受天線陣列以及軟件算法的影響，但是借鑒移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中鄰小區(qū)搜索的概念，也即終端不斷搜索并測(cè)量鄰小區(qū)的無(wú)線信道質(zhì)量，并對(duì)小區(qū)的信道質(zhì)量參數(shù)（如參考信號(hào)接收功率）進(jìn)行測(cè)量上報(bào)，使得在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行鄰區(qū)切換。該模式亦可應(yīng)用于藍(lán)牙AOA定位平臺(tái)之中。

此外，該空間拓?fù)浞桨讣饶軠p輕多徑信號(hào)對(duì)平臺(tái)的影響，保證系統(tǒng)的定位精度，又使得平臺(tái)具有對(duì)移動(dòng)TAG的實(shí)時(shí)定位能力。為了保證處于連接態(tài)的TAG在移動(dòng)情況下享受無(wú)中斷的位置服務(wù)，需要進(jìn)行移動(dòng)性管理。實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理的邏輯框圖如圖11所示。

圖10 自適應(yīng)選擇示意圖

圖11 TAG位置服務(wù)移動(dòng)性管理

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

圖12為根據(jù)最低需求的自適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案（3個(gè)AP）所配置的實(shí)驗(yàn)參考坐標(biāo)系，圖中的每1個(gè)小點(diǎn)表示實(shí)時(shí)繪制出的TAG點(diǎn)位，并在一段時(shí)間后形成了如圖所示的TAG移動(dòng)軌跡。在本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定TAG的運(yùn)動(dòng)路徑從（7 m，2 m）到（2 m，7 m），根據(jù)計(jì)算效率共設(shè)置201個(gè)采樣點(diǎn)。從圖中可以看出，移動(dòng)中的TAG在不同的坐標(biāo)區(qū)間由不同的AP分組實(shí)現(xiàn)對(duì)其定位。在進(jìn)行基于RSSI值的AP組軟切換時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯波動(dòng)，表明多AP空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動(dòng)性管理方案得到有效的應(yīng)用。對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析后，得到該組實(shí)驗(yàn)的輸出點(diǎn)位RMSE為25.94 cm，表1中展示了部分定位結(jié)果的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明該方案能夠有效地解決TAG在實(shí)際使用環(huán)境中的方向問(wèn)題，并優(yōu)化在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下因信號(hào)反射所帶來(lái)的多徑效應(yīng)，減輕其對(duì)定位結(jié)果的影響。且相較于RSSI等其他室內(nèi)定位技術(shù)，藍(lán)牙AOA在定位精度上的優(yōu)勢(shì)更加突出。

圖12 TAG移動(dòng)測(cè)試點(diǎn)位輸出

表1 TAG移動(dòng)定位AP選擇及定位誤差分析 cm

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于CC2652R低功耗藍(lán)牙開(kāi)發(fā)套件所搭建的AOA室內(nèi)定位平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)并提出了因TAG方向改變引起的定位結(jié)果不精準(zhǔn)問(wèn)題。對(duì)TAG的方向數(shù)據(jù)進(jìn)行大量采樣分析后，得到因TAG中全向天線在不同方向的增益不平均所帶來(lái)的多徑效應(yīng)導(dǎo)致定位計(jì)算結(jié)果波動(dòng)的結(jié)論。并且提出了一種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動(dòng)性管理方案，有效減輕因TAG方向性所帶來(lái)的多徑效應(yīng)影響，提升實(shí)時(shí)定位精度，實(shí)現(xiàn)TAG在移動(dòng)過(guò)程中的連續(xù)定位。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，受設(shè)備中定向天線特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，且系統(tǒng)定位算法與定向天線陣列的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。因此，接收端藍(lán)牙設(shè)備的天線陣列設(shè)計(jì)與發(fā)送端藍(lán)牙設(shè)備的天線設(shè)計(jì)至關(guān)重要，對(duì)于系統(tǒng)的整體定位性能起著不可忽視的作用，有待進(jìn)一步研究。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使用藍(lán)牙無(wú)線組網(wǎng)模式優(yōu)化組網(wǎng)架構(gòu)，將控制端所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)空口實(shí)時(shí)上傳到云端，并在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，必然會(huì)得到更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性表現(xiàn)更好的定位結(jié)果。同時(shí)，也能夠使該平臺(tái)適用更加廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

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Anti-jamming optimization of bluetooth angle of arrival indoor positioning

DENG Shifan1, JIANG Wei1, YANG Junjie1，2, SUI Zhicheng2, JIANG Shaowei3

（1. School of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306,China;2. Shanghai DianJi University, Shanghai 201306, China; 3. Zenchant Electronics Co. Ltd., Shanghai 201199, China）

Based on the inaccurate positioning results of signal tags in bluetooth 5.1 angle of arrival (AOA) technology caused by the changing direction, a spatial topology adaptive mobility management scheme, can effectively reduce the multipath effect caused by the directionality of signal labels, which improves real-time positioning accuracy, and realizes the continuous positioning in the process of moving. Finally, the spatial topology of the receiver device is arranged, and dynamic selection of the receiver device is realized by combining the received signal strength indicator (RSSI). The experimental result shows, after the application of the mobility management scheme, the positioning accuracy is effectively improved, with the root mean square error (RMSE) of points reaching 25.94 cm.

bluetooth 5.1; angle of arrival; indoor positioning; multipath effect; mobile management

P228

A

2095-4999(2022)06-0075-06

鄧詩(shī)凡, 蔣偉, 楊俊杰, 等. 藍(lán)牙到達(dá)角室內(nèi)定位抗干擾優(yōu)化研究[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2022, 10(6): 75-80.（DENG Shifan, JIANG Wei, YANG Junjie, et al. Anti-jamming optimization of bluetooth angle of arrival indoor positioning[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6): 75-80.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220610.

2022-06-28

上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃地方院校能力建設(shè)項(xiàng)目（21010501000）；上海市教育發(fā)展基金會(huì)和上海市教育委員會(huì)“曙光計(jì)劃”（17SG51）。

鄧詩(shī)凡（1995—），男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭覂?nèi)定位。

楊俊杰（1977—），男，福建漳浦人，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)/電力通信。