蓝牙技术支持精确定位

作者：Charlie Ice

想象一下，步入客厅时，手机立刻显示出房间的灯光、温度和电视设置。而离开客厅进入卧室，手机也会自动显示卧室的智能设备设置。

如果家居设备通过智能手机安全准确地知道人在家中或建筑中的位置，这一切都能实现。信道探测技术不仅能提升生活的便利性，还能用于高效的能源管理。以恩智浦在“国际嵌入式大会”上展示的信道探测演示为例，空调能够使用通道探测技术自动开启或关闭。随着未来几代BLE标准的推出，这种基于信道探测的定位功能有望变得像蓝牙技术一样普及[1]。

测距并非新兴技术

利用蓝牙技术进行距离测量并非新概念，为此已开发了多种技术。蓝牙标准问世不久，便采用了接收信号强度(RSSI)来进行初步的距离估算(见图1)。尽管RSSI操作简便，且受到众多蓝牙设备支持，但它在准确性和安全性方面存在明显的局限。通过使用多个天线和到达角/离开角(AoA/AoD)技术，提高了RSSI的测量精度(如图2所示)，但这并未克服其安全性问题。AoA/AoD技术要求天线设计和布局极为精确，这不仅增加了成本，也加大了制造难度。产品中天线的位置公差必须控制得非常严格，否则任何微小的偏差都会影响测量精度。此外，RSSI、AoA和AoD的信号强度测量都可能受到墙壁和物体反射信号的干扰。正因为这些方法的限制，蓝牙SIG开始探索一种名为信道探测的替代技术。

图1——接收信号强度(RSSI)使用接收信号的强度来估计距离


图2——到达角/离开角使用天线阵列来估计距离

在使用RSSI、AoA和AoD技术进行距离测量时，极易遭受“中间人”攻击。这些技术仅通过信号强度来推断距离，因此，如果有攻击者能够人为地增强信号，接收设备就会检测到更强的信号并据此判断目标更近。如图3所示。这种漏洞在门锁等应用中尤为严重，因为攻击者可能会在最终用户接近门锁之前就将其解锁。例如，在商业楼宇中，员工在停车场泊车时，攻击者就有可能趁机潜入该楼宇。

图3——攻击者增强发射器信号的“中间人”攻击

将信道探测应用到实际中。了解有关恩智浦首款带蓝牙信道探测功能的微控制器MCX W72的详情。

改进后的测距方法

信道探测技术将成为使用BLE进行距离估计的安全且准确的新标准。它巧妙地将飞行时间(ToF)和往返相位(RTP)两种测距技术融入到标准的BLE数据传输中，如图4所示。具体来说，启动器首先发送ToF数据包给反射器，反射器接收后回复一个带有接收时间标记的ToF数据包。通过这种方式，利用光速，启动器能够得到一个安全、大致的距离估计。随后，启动器会发送一系列声音信号至反射器，反射器再将这些声音信号返回。通过分析这些信号的相位变化，可以实现更为精确的距离测量。结合这两种技术，信道探测能够在露天环境下达到±0.5米的精确度，为两个BLE设备之间的距离测量提供了一种既安全又准确的方法。

信道探测也大大提高了安全性，能够有效防止使用现有技术的“中间人”攻击风险。这是通过在距离估计中使用加密的、带时间戳的数据包来实现的，攻击者无法复制这些数据包。同时，信道探测通过比较ToF和RTP的测量结果来确保一致性。在这些技术的加持下，通道探测为强大的安全性奠定了坚实的基础。

图4——通道探测程序方法

信道探测将为蓝牙定位带来许多优势，包括恩智浦在内的许多硅片供应商已经开始为他们的芯片组提供信道探测功能的支持。启动器和反射器设备都需要具备信道探测功能，随着智能手机迅速集成探测功能，该功能预计将迅速普及，成为标准配置。

恩智浦助力实施信道探测技术

ToF和RTP距离估计算法计算量大，很容易使标准蓝牙MCU的内核处理能力达到极限。为了帮助开发人员更快地将具有“定位”功能的产品推向市场，新发布的MCX W72无线MCU系列提供了对最新蓝牙信道探测标准的支持。MCX W72系列内置了一个定位计算引擎，有效降低了距离估计算法对性能的影响和响应时间。MCX W72是一款安全、灵活、稳健的多协议无线MCU系列，支持Matter with Thread、Zigbee和BLE，适用于楼宇自动化、智能家居和其他无线互联设备。MCX W72的全面功能集，包括其定位计算引擎，展示在图3中。

图5——带有定位计算引擎(LCE)的MCX W72结构框图

为创新搭建平台

蓝牙信道探测技术的引入，凭借其卓越的安全性和精确度，为众多创新的工业和物联网应用敞开了新的大门，特别是当与超宽带(UWB)等先进技术结合使用时。UWB技术通过在宽频段上发送短脉冲信号，实现了短距离内的安全且精确的距离测量，精度通常可达厘米级。这两种技术的结合极大地提升了用户体验。例如，在汽车领域，蓝牙信道探测可用于安全且准确地进行较长距离的粗略测距，而当用户接近汽车时，则切换至UWB射频单元以实现更精细的定位。这种方法可以使UWB射频单元保持更长的断电时间，从而节省汽车和用户智能手机的电力。Aliro智能门锁标准的推出，将蓝牙RSSI测距技术与UWB相结合，为蓝牙信道探测的未来创新奠定了坚实的基础。恩智浦的Trimension^®系列结合了超宽带(UWB)安全雷达和精细测距功能，与新推出的MCX W72无线微控制器一起，构成了一个完整的定位设计平台。

蓝牙信道探测开启了蓝牙和定位技术令人兴奋的新篇章。随着主流智能手机芯片组供应商纷纷宣布支持信道探测，我们很快就会看到配备了这一技术的新款智能手机，它们将能够安全且准确地测量距离。这一技术的应用前景广阔，门锁和车钥匙仅仅是开始，未来将有更多创新的物联网应用诞生。

作者：



Charlie Ice
恩智浦半导体无线产品市场营销

Charlie Ice负责恩智浦无线产品市场营销，专注于公司的无线MCU。他拥有超过十年在科技领域的产品管理经验，于2022年加入恩智浦。他在微控制器、数字电机与电源控制，以及测试与测量设备方面拥有丰富的知识。在加入恩智浦之前，Charlie在Silicon Labs负责汽车隔离产品的管理工作。他拥有莱斯大学电气工程硕士和理学学士学位。

[1] 蓝牙SIG正致力于开发信道探测技术，这项技术建立在一份可能会更新的蓝牙规范工作草案之上。蓝牙SIG计划在2024年下半年发布这一规范的正式批准版本，届时将包含信道探测功能。