藍牙測距原理

藍牙信道探測（Channel Sounding）技術，作為藍牙核心規(guī)范6.0中的一項關鍵技術革新，憑借其顯著提升的藍牙距離測量精度，為眾多創(chuàng)新應用鋪設了堅實的基石。這一全新的安全、精密測距功能有望提高藍牙互聯(lián)設備的便利性、安全性和保障性為設備帶來真實的距離感知功能，為開發(fā)人員和用戶創(chuàng)造更多可能性。

本文將首引領大家探討藍牙信道探測的測距原理，在隨后的文章中，逐步解析藍牙信道探測的鏈路層協(xié)議、Profile協(xié)議。

當前市場上，基于藍牙的定位技術主要有以下4種：

藍牙廣播：在設定的范圍內(nèi)持續(xù)向周圍環(huán)境發(fā)送廣播，它允許發(fā)射設備主動廣播其存在信息，掃描設備則能感知并識別這些信號，從而確定發(fā)射設備在有效范圍內(nèi)存在，缺點缺少距離感知。
RSSI（接收信號強度指示）測距法：利用藍牙信號在空中傳播時隨距離增加而自然衰減的特性，RSSI測距技術提供了一種簡易而有效的距離估算方法。接收設備通過分析接收到的信號強度，能夠大致推斷出與發(fā)射設備之間的距離，缺點是精度有限，缺乏安全防護措施。
基于AOA/AOD的藍牙尋向功能：AOA（到達角）與AOD（出發(fā)角）技術的引入，可以讓接收設備確定信號的來源方向，缺點是容易收到多徑效應和反射的影響，對多天線設計的技術門檻要求較高。
藍牙信道探測：作為藍牙定位技術的前沿探索，信道探測技術以其卓越的性能脫穎而出。它不僅能夠在 100 米范圍內(nèi)實現(xiàn) +/-50 厘米的測量精度，而且能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的距離感知，這是 RSSI 測距技術不易實現(xiàn)的。同時，該技術還內(nèi)置了多層安全防護機制，有效抵御了中間人（MITM）攻擊，確保了定位過程的安全性與可靠性。

無線電磁波基礎概念回顧

在深入探討藍牙信道探測測距技術之前，我們先來了解無線電磁波的幾個基礎概念參數(shù)：

振幅：在無線電波中，振幅通常指的是波的最大位移量，也就是波峰到波谷的距離，它決定了波的強度或能量大小。

周期：周期是波完成一次完整振動所需的時間。對于無線電波來說，周期是其基本特性的一個重要方面，它決定了無線電波的頻率（頻率是周期的倒數(shù)）。



波長（λ）：無線電波長是指無線電波傳播中，波峰到波峰（或波谷到波谷）之間的距離。



頻率與波長之間的關系。

λ = C/f
C為光速，其值為 299792458 米/秒
例如: 頻率 2402MHZ的波長
波長（λ）2402 MHZ = C/ f = 12.48095162 厘米

藍牙信道探測采用了兩種成熟的測距方法，即基于相位的測距 (PBR) 和基于往返時間 (RTT)，在藍牙連接的設備之間實現(xiàn)安全、精細的測距。

一
基于相位的測距原理
（Phase Based Ranging，縮寫為PBR）



根據(jù)通信原理，可以根據(jù)信號傳播的周期數(shù)得到信號傳播的距離。如上圖所示，假設信號以一個固定頻率f傳播，傳播速度為光速c，信號波長為λ，信號共傳播N個周期，那么可以得到傳播距離為：

R = N*λ = N * c/f

但是通常設備無法得到發(fā)送設備與接收設備之間的信號傳播周期數(shù)，因此，PBR涉及一種技術通過其他數(shù)據(jù)得到設備之間的距離，工作原理如下：







下面將給出基于頻率與相位差推導距離的詳細公式：






這種方法稱為雙向測距，即第二個設備將信號傳回始發(fā)設備，以便進行相位測量。

二
基于往返時間的測距原理
（Round Trip Timing，縮寫為RTT）







如果在多個頻點重復上述步驟，便可以得到高精度距離。

三
結(jié)語

藍牙信道探測作為藍牙核心規(guī)范 6.0 的關鍵特性，為藍牙技術在定位領域的應用開辟了新天地。通過對其測距原理的深入探討，我們看到了這項技術的巨大潛力。隨著后續(xù)對鏈路層協(xié)議、Profile 協(xié)議以及泰凌藍牙信道探測測距方案的逐步解析，相信藍牙信道探測技術將在未來的定位領域發(fā)揮更為重要的作用。