針對高精準度室內定位難題，藍牙提供了一個新答案。為了要測試這項技術，u-blox於工業倉庫進行了概念驗證試驗，本文聚焦介紹適合室內定位的到達角度（AoA）解決方案。

位置感知：這是物聯網技術為企業和消費者帶來的主要好處之一。不用花大錢，車隊管理人員就能即時追蹤車隊車輛，物流公司可以追蹤運輸貨物，農民也能追蹤他們的牲畜。人們也可以購買聯網裝置來看顧年邁親人、追蹤寵物或汽車等貴重物品。

透過全球導航衛星系統（global navigation satellite systems；GNSS），包括 GPS、GLONASS、北斗和伽利略系統的建置，定位技術已全面進入人類經濟活動及日常生活的各個層面。年復一年，GNSS 技術持續精進，定位精準度從幾公尺縮減至幾公分，初始定位時間也從幾十秒減少至幾秒，且服務可用性不斷增進，即使是最為密集的都市叢林，GNSS也能提供精確的定位服務。

然而，時至今天，高精準度定位仍存在一個嚴重盲點：室內空間的定位。微弱的 GNSS 信號無法有效滲透至大部分的室內空間，因此，許多室內活動無法利用連續性位置感知來提升效率，例如：

‧ 醫院管理人員無法追蹤醫療設備、患者和員工。

‧ 機場管理公司無法優化行李處理程序及快速定位遲到乘客。

‧ 製造廠商無法提升自動化生產流程。

‧ 服務業和零售業者無法追蹤客戶行為及後端作業。

‧ 倉庫管理人員無法利用地面機器人升級作業操作。

基本上，衛星信號在這些室內環境裡可說是無用武之地，因此必須採用其他技術來填補此空白區域。例如，具有行動通訊數據機的設備，可以利用行動通訊信號，以所謂的網絡指紋辨識（network fingerprinting）或更複雜的飛行時間（time-of-flight）技術，估出相對於附近行動通訊基地台的位置。配備Wi-Fi的設備，也能使用類似方法，以相對於Wi-Fi 熱點的位置進行定位。具有藍牙功能的設備，則能使用接收信號強度指標 （RSSI），估計相對於附近藍牙信標的接近距離。

然而，這些技術都有所侷限，限制了它們在上述使用情境中的應用，畢竟GNSS技術在準確性、可用性、易用性和成本負擔方面，皆已樹立極為不凡的標竿。行動通訊和 Wi-Fi 的定位技術所需的硬體成本相對較高，然而能提供的精準度卻低於預期。至於藍牙 RSSI，儘管精準度也不算高，不過由於成本低、功耗低，且相容於目前市面上的大部分聯網設備，因此已成功在需要房間級（room-level）定位精準度的應用中站穩腳步。

2019 年，藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）推出了藍牙尋向技術（Bluetooth Direction Finding），在室內定位領域取得突破性進展。該方法使用新型藍牙信號和多天線陣列，測量行動標籤與一個或多個靜態錨點之間的藍牙訊息傳播角度，為室內定位難題帶來了新的解決可能性。這是首次有室內定位技術能夠符合高精準度、易於部署、設備成本低，以及低功耗等各項條件。

ABI Research 預測，從2019 年至 2025 年，藍牙標籤出貨量的複合年成長率為 28.3%，預估智慧辦公室的成長幅度最大（64.2%），倉儲和物流垂直領域的絕對數量最大（超過 1.63 億）。藍牙技術與u-blox的戶外 GNSS 解決方案可相互補，且採用此技術開發解決方案的全球產業生態系統龐大，加上擁有低功耗、低成本，以及1公尺以下的定位精準度等優點，因此 u-blox 投入大量研發資源推動藍牙室內定位技術的普及。

藍牙如何實現高精準度室內定位

藍牙室內定位的底層技術是藍牙尋向。顧名思義，藍牙尋向是要測定藍牙信號在行動標籤和固定錨點之間的傳播方向，有兩種方式可以實現這個目的，一是採用到達角度（AoA），由錨點計算藍牙標籤傳輸傳入信號的方向。二是採用出發角度（AoD），在此方式中，角色被翻轉，由藍牙標籤來計算錨點傳輸信號的角度。本文聚焦於介紹AoA，此方法更適合室內定位解決方案，至於 AoD則是在室內導航解決方案具有優勢。

為了評估此技術，在位於瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內，我們建構了採用AoA 的藍牙尋向展示，在尋向錨點上安裝了伺服馬達並設計程式，根據即時計算的到達角度輸出來追?移動的藍牙標籤。

圖1 : 位於瑞典馬爾默市的u-blox辦公室內，建構採用AoA的藍牙尋向追?移動的藍牙標籤展示。

藍牙測向的工作原理有兩個祕密，首先是帶有被稱為固定頻率擴展信號（constant tone extension；CTE）附加數據的新型藍牙尋向信號。藍牙訊息的其餘部分經過調變以攜帶數據，CTE 僅由一連串的「1」組成，因此接收器可以使用這部分訊息來準確測量信號之間的相位差。這也帶來了藍牙尋向工作原理的第二個秘密，也就是隱藏在每個錨點內部的不是單一天線，而是多天線陣列。

圖2 : 行動標籤發射的測向信號

圖2說明了行動標籤發射的測向信號，是如何到達靜態錨點天線陣列的各個天線。由於行進距離不同，每個天線接收到的信號，相對於其他天線都有輕微的相移，歸功於 CTE，這是可以測量的。接下來交由錨點內建 MCU 的演算法來解析此數據，以計算出信號的到達角度，精準度約 +/- X 度。

當使用多個錨點而不是單一錨點時，可以使用來自多個錨點的到達角度，以三角測量方式定位追蹤器的大致位置。這需要將錨點的精確位置和方向輸入定位引擎，然後運用另一種演算法，根據每個錨點計算出的到達角度，藉以算出附有標記資產的2D或3D位置。

我們在一個簡單的 8 x 6 公尺辦公室環境中，於4個角落安裝了4個錨點，以95%概率達到1 公尺以下的平均精準度。

圖3 : 在工業倉庫中試用技術

工業倉庫是典型的資產追蹤應用情境，我們在現場試用了藍牙室內定位解決方案。30 x 50 公尺的倉庫裡有金屬貨架，用來存放設備和箱子。根據藍牙規範的定義，原始 RF 數據是交由較低層技術負責，但是並沒有指定計算實際到達角度的演算法。在試用中，我們開發一種高效率的演算法，在藍牙晶片的嵌入式 MCU 上運作，同時仍能提供高精準度和高更新率。特別的是，還優化了射頻前端、天線、運作於錨點藍牙模組的嵌入式演算法，以及將錨點連結至網路的無線網路骨幹。

圖4是在錨點中使用的藍牙標籤和 L 形天線陣列。

圖4 : 在錨點中使用的藍牙標籤和 L 形天線陣列

在這個試驗中，使用了 10 個錨點來覆蓋 6 公尺高的空間，佔地面積約為1000平方公尺。經由縝密的規劃和準備，在安裝過程沒有任何中斷的情況下，只花了大約兩個小時便完成定位系統的安裝。為了最大化追蹤器標籤和多天線陣列之間的視野範圍，將錨點安裝在離地面3至5公尺之間。

我們採用第三方追蹤軟體來簡化部署，在這個案例中使用了 Traxmate，得以輕鬆輸入錨點的位置和方向，並能使用整合型 API 設置定位引擎。最後，在每個錨點和定位引擎之間建立了 Wi-Fi 通信骨幹。

在這個試驗中，特別費心於配置的設計，務求能在室內環境中提供可靠的效能，畢竟大部分的室內環境部署極為複雜。首先，為了最大化所有可能標籤位置和至少3個錨點之間的視線可能性，錨點的放置位置是經過深思熟慮的。關於錨點數量也需審慎考量，如上所述，在這個試驗中，使用10個相距約10公尺的錨點，這樣的設置能提供良好的平均定位精準度，並且可以即時追蹤到標籤位置。更重要的是，必須處理多徑效應，例如當無線電信號遇到牆壁反彈時，便會造成此效應。在錨點運作用來計算角度的演算法中，就包括多路徑緩解，即使在倉庫這種頗具挑戰性的無線電環境中，依然能夠提供強大的效能。

為了減少多徑效應，在3個藍牙傳播通道中都使用了CTE，在錨點上使用雙極化天線；並且使用先進的傳播器直接數據採集（propagator direct data acquisition；PDDA）技術，用於角譜搜尋。

此次成功執行概念驗證部署的經驗，讓我們更加確認藍牙高精準度室內定位技術的強大。首先，如果部署得當，此技術可以為室內定位新應用提供眾所期待的1公尺以下的精準度。其次，如同一般的藍牙裝置，此技術所需的硬體成本遠低於其他競爭技術，電力需求也是低得多。室內定位解決方案的部署一向深具挑戰性，我們所採用的硬體配置以及和 Web 介面（例如由 Traxmate 開發的介面）的整合，大幅簡化了部署工作。

為了協助客戶快速開發室內定位應用，u-blox的兩款「探索者套件（explorer kit）」，可協助產品開發人員評估藍牙尋向和高精準度室內定位技術的潛力。u-blox XPLR-AOA-1 和 XPLR-AOA-2 探索者套件是專為低功耗、簡易部署和低擁有成本所設計，可輕鬆測試利用藍牙技術來開發門禁控制、碰撞偵測、智慧家電、室內定位和資產追蹤等各種應用的能力。

此外，u-blox推出的NINA-B4模組可支援藍牙5.1標準─包括尋向（direction finding）功能，此模組能在高達105°C的寬廣溫度範圍內運作，再結合其長傳輸距離能力，是部署於惡劣環境中的理想選擇。透過採用到達角（AoA）和出發角（AoD, angle-of-departure）尋向技術，NINA-B4模組可同時做為發射器和接收器使用，為室內應用帶來高精準度定位的優勢。

（本文作者Erik Carlberg為u-blox短距離無線電產品策略部門資深產品經理 ）

**刊頭圖（source：Matellio）