室内定位技术与蓝牙5.1AoX定位芯片及定位系统

室内定位是利用室内的微基站,对室内的无线设备进行准确定位的技术。该系统包括微基站及位置计算后台,以及被定位设备。目前已经广泛应用于各行各业,实现了定位,寻物,监控,导航等等功能,相信在不久的将来,室外导航与室内导航将实现无缝连接。

客户对室内定位的诉求

根据市场分析,室内定位的市场规模预计从2017年的70亿美元增长到2022年的400亿美元,复合增长率为42%。应用场景包括各类工厂,仓库,隧道,地铁,机场,酒店,办公楼,养老院,医院,博物馆,看守所等等。下面举个例子:

一个医院场景的定位系统,包括基站,网关和云。基站收集各个不同标签的信息,定位出各种不同设备的位置,统一上报云系统。系统根据各种位置信息实现以下功能,比如给相关的医生发送指令,寻找某个医疗设备,监控病人的行为等。

在已经安装定位系统的解决方案中,目前WIFI占有将近一半的市场;但在有意愿安装相关系统的机构中计划采用beacon等方案的占据50%以上的比例。2020中国移动的《室内定位白皮书》总结了相关技术的对比,这里引用一下。可以看出,蓝牙AoA定位具有比较大的优势,关键在于业界能够尽快推出符合应用的解决方案,同时能够达到亚米级的精度。

室内定位应用的核心问题在于定位精度,成本,以及标准化的前后台系统。而对于蓝牙AoX来说,定位精度和天线,以及天线算法,算法密集度等密切相关。

蓝牙AoX定位原理

原理上无线信号都可以用来定位,可以使用不同的定位技术,所以我们看到目前市场上有多种基于不同无线协议的,以及基于不同定位原理的解决方案。我们在公众号往期相关的短文中有过介绍,这里再简单介绍一下。

基于信号强度的定位RSSI

因为无线信号遵循一定的衰减规律,所以利用发射源到被测地点信号的衰减程度就可以计算得到被测物体到信号源之间的距离。可以参考如下的公式:

RSSI=10lg(P)=A-10n*lg(R)

其中P是距离R时的信号接收强度,A是信号在一米远时的接受信号强度,n是传输因子,那么被测位置R就可以计算出来。如果有平面上有3个信号源,那么根据三点定位的原理就可以计算出被测物体的具体位置了。

由于无线信号在环境中有非常多的干扰,所以这种测距的方法一般只能精确到几米的距离。

 基于角度的定位AoA,AoD

我们就基于AoA介绍一下原理。电磁波具有不同的波长,一个2.4G的无线信号的波长大概是125mm,那么两个相距60mm的天线接收到的信号就相差半个波长,也就是相位相差180度。

根据信号到达不同天线的相位差,以及两个天线之间的距离,就可以测算出信号源同两个天线之间的夹角,这里假设到达天线的波前为理想的平面波。为了测量到这个相位差,两根天线就必须根据一定的时间规范进行切换,这就是AoA的基本原理。同理,如果有两组位于不同基站的天线分别检测到了信号源到基站的夹角,那么从平面的角度看,信号源就可以被定位了。

当然了,这只是原理,现实中为了消除无线信号的多径,折射,极化,信号噪声等各种干扰,天线和算法的实现是很复杂的。

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基于时间的定位TDOA ,TOA(ToF)

到达时间差测距法(TDOA),是根据一个无线电波从发送到接收之间的时间差计算二者之间的距离。如图A到B,可以在AB时钟严格同步的情况下用A到B的时间乘以光速就得到二者之间的距离。信号到不同的参考基站有不同的时间,意味着不同的距离,这样也就可以测算出具体位置。这种方案需要基站时间严格同步,但信号源复杂度低。

到达时间测距法(ToA)也可以让B把信号重新发回A,这样二者之间的时间差,减去B的时间开销,就也能算出AB之间的距离。同样,利用三角定位的原理就可以定位出信号源同不同基站之间的距离,从而达到定位的目的。这种方案下,信号源的复杂度稍微就高了一些,好处是不用非常同步的统一系统时钟。

下图简单的对比了一下不同定位原理的相对特性(来自中国移动《室内定位白皮书》),不过具体的实现中的实际差别需要根据具体的解决方案确定。

蓝牙采用AoA,AoD的定位原理

在蓝牙定位解决方案中,Q公司是相对来说应用比较广泛的,这跟他在该领域的积累时间有很大关系。早期在蓝牙5.1标准出来之前,Q公司就利用蓝牙4.0做AoA的定位系统,该系统要求4.0蓝牙芯片能够按照Q公司的要求发出一组用于定位的pattern,而Q公司的基站将根据这一pattern实现AoA定位。

在蓝牙5.1的标准发布以后,国际厂商陆陆续续发布芯片的消息。但截止今天,还没有商业的基于5.1芯片的商用定位系统问世。Q公司协同N,S公司预计将在2020年底发布相关的解决方案。INGCHIPS完整的定位解决方案

ING9188系列芯片支持完整的AoA、AoD协议,支持1us及2us采样间隔,支持协议范围内的CTE长度。采样该芯片的室内定位系统支持用户定制的定位基站拓展,以及支持基于不同天线阵列的算法扩展。采用ING9188芯片SDK支持该系统的客户定制化。

为了室内定位方案厂商能快速的实现完整的室内定位系统,包括云,后台定位算法,前端基站,以及被定位标签。INGCHIPS提供了一组demo,完整的演示了室内定位的方案。当然,为了实现更好的天线设计,更优化的算法,更好的定位精度,方案商需要更多自身的专业投入和专属的优质方案。INGCHIPS将给相应厂商提供技术支持,后续我们将推出详细的自有方案介绍。

如上文所述,目前室内定位的需求呈现加速增长的态势,蓝牙解决方案的优点在于成本和功耗,以及定位精度等综合优势较好。而且在TAG一侧,目前只需要支持5.1标准,成本和功耗可控,可以适用于各种场景。根据芯片的配置,TAG端也可以同时具有除了定位以外有其他较复杂应用。“ 

关于桃芯科技

桃芯科技是物联网短距离通信,以及智能终端芯片供应商,拥有全自主的无线通信协议栈,以及完整的低功耗SoC及解决方案。桃芯科技ING9188系列BLE5.1芯片已经量产下线,欢迎订购,适用各类行业市场。ING9188的主要特性在于:完全的5.1、5.0特性;超低功耗;高速率,主从一体多连接,远距离,自组网,室内定位导航等;超稳定,易开发,应用示例丰富。桃芯科技将努力支持志同道合的方案商,尤其是针对室内定位完全解决方案商,打开深蓝应用领域的广阔天地。蓝牙问题搞不定,就找桃芯科技。详情参见官网:http://www.ingchips.com/