藍牙技術(shù)支持精確定位

想象一下，步入客廳時，手機立刻顯示出房間的燈光、溫度和電視設(shè)置。而離開客廳進入臥室，手機也會自動顯示臥室的智能設(shè)備設(shè)置。

如果家居設(shè)備通過智能手機安全準(zhǔn)確地知道人在家中或建筑中的位置，這一切都能實現(xiàn)。信道探測技術(shù)不僅能提升生活的便利性，還能用于高效的能源管理。以恩智浦在“國際嵌入式大會”上展示的信道探測演示為例，空調(diào)能夠使用通道探測技術(shù)自動開啟或關(guān)閉。隨著未來幾代BLE標(biāo)準(zhǔn)的推出，這種基于信道探測的定位功能有望變得像藍牙技術(shù)一樣普及1。

測距并非新興技術(shù)

利用藍牙技術(shù)進行距離測量并非新概念，為此已開發(fā)了多種技術(shù)。藍牙標(biāo)準(zhǔn)問世不久，便采用了接收信號強度(RSSI)來進行初步的距離估算(見圖1)。盡管RSSI操作簡便，且受到眾多藍牙設(shè)備支持，但它在準(zhǔn)確性和安全性方面存在明顯的局限。通過使用多個天線和到達角/離開角(AoA/AoD)技術(shù)，提高了RSSI的測量精度(如圖2所示)，但這并未克服其安全性問題。AoA/AoD技術(shù)要求天線設(shè)計和布局極為精確，這不僅增加了成本，也加大了制造難度。產(chǎn)品中天線的位置公差必須控制得非常嚴(yán)格，否則任何微小的偏差都會影響測量精度。此外，RSSI、AoA和AoD的信號強度測量都可能受到墻壁和物體反射信號的干擾。正因為這些方法的限制，藍牙SIG開始探索一種名為信道探測的替代技術(shù)。

圖1——接收信號強度(RSSI)使用接收信號的強度來估計距離

圖2——到達角/離開角使用天線陣列來估計距離

在使用RSSI、AoA和AoD技術(shù)進行距離測量時，極易遭受“中間人”攻擊。這些技術(shù)僅通過信號強度來推斷距離，因此，如果有攻擊者能夠人為地增強信號，接收設(shè)備就會檢測到更強的信號并據(jù)此判斷目標(biāo)更近。如圖3所示。這種漏洞在門鎖等應(yīng)用中尤為嚴(yán)重，因為攻擊者可能會在最終用戶接近門鎖之前就將其解鎖。例如，在商業(yè)樓宇中，員工在停車場泊車時，攻擊者就有可能趁機潛入該樓宇。

圖3——攻擊者增強發(fā)射器信號的“中間人”攻擊

將信道探測應(yīng)用到實際中。了解有關(guān)恩智浦首款帶藍牙信道探測功能的微控制器MCX W72的詳情。

改進后的測距方法

信道探測技術(shù)將成為使用BLE進行距離估計的安全且準(zhǔn)確的新標(biāo)準(zhǔn)。它巧妙地將飛行時間(ToF)和往返相位(RTP)兩種測距技術(shù)融入到標(biāo)準(zhǔn)的BLE數(shù)據(jù)傳輸中，如圖4所示。具體來說，啟動器首先發(fā)送ToF數(shù)據(jù)包給反射器，反射器接收后回復(fù)一個帶有接收時間標(biāo)記的ToF數(shù)據(jù)包。通過這種方式，利用光速，啟動器能夠得到一個安全、大致的距離估計。隨后，啟動器會發(fā)送一系列聲音信號至反射器，反射器再將這些聲音信號返回。通過分析這些信號的相位變化，可以實現(xiàn)更為精確的距離測量。結(jié)合這兩種技術(shù)，信道探測能夠在露天環(huán)境下達到±0.5米的精確度，為兩個BLE設(shè)備之間的距離測量提供了一種既安全又準(zhǔn)確的方法。

信道探測也大大提高了安全性，能夠有效防止使用現(xiàn)有技術(shù)的“中間人”攻擊風(fēng)險。這是通過在距離估計中使用加密的、帶時間戳的數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)的，攻擊者無法復(fù)制這些數(shù)據(jù)包。同時，信道探測通過比較ToF和RTP的測量結(jié)果來確保一致性。在這些技術(shù)的加持下，通道探測為強大的安全性奠定了堅實的基礎(chǔ)。

圖4——通道探測程序方法

信道探測將為藍牙定位帶來許多優(yōu)勢，包括恩智浦在內(nèi)的許多硅片供應(yīng)商已經(jīng)開始為他們的芯片組提供信道探測功能的支持。啟動器和反射器設(shè)備都需要具備信道探測功能，隨著智能手機迅速集成探測功能，該功能預(yù)計將迅速普及，成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

恩智浦助力實施信道探測技術(shù)

ToF和RTP距離估計算法計算量大，很容易使標(biāo)準(zhǔn)藍牙MCU的內(nèi)核處理能力達到極限。為了幫助開發(fā)人員更快地將具有“定位”功能的產(chǎn)品推向市場，新發(fā)布的MCX W72無線MCU系列提供了對最新藍牙信道探測標(biāo)準(zhǔn)的支持。MCX W72系列內(nèi)置了一個定位計算引擎，有效降低了距離估計算法對性能的影響和響應(yīng)時間。MCX W72是一款安全、靈活、穩(wěn)健的多協(xié)議無線MCU系列，支持Matter with Thread、Zigbee和BLE，適用于樓宇自動化、智能家居和其他無線互聯(lián)設(shè)備。MCX W72的全面功能集，包括其定位計算引擎，展示在圖3中。

圖5——帶有定位計算引擎(LCE)的MCX W72結(jié)構(gòu)框圖

為創(chuàng)新搭建平臺

藍牙信道探測技術(shù)的引入，憑借其卓越的安全性和精確度，為眾多創(chuàng)新的工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用敞開了新的大門，特別是當(dāng)與超寬帶(UWB)等先進技術(shù)結(jié)合使用時。UWB技術(shù)通過在寬頻段上發(fā)送短脈沖信號，實現(xiàn)了短距離內(nèi)的安全且精確的距離測量，精度通常可達厘米級。這兩種技術(shù)的結(jié)合極大地提升了用戶體驗。例如，在汽車領(lǐng)域，藍牙信道探測可用于安全且準(zhǔn)確地進行較長距離的粗略測距，而當(dāng)用戶接近汽車時，則切換至UWB射頻單元以實現(xiàn)更精細的定位。這種方法可以使UWB射頻單元保持更長的斷電時間，從而節(jié)省汽車和用戶智能手機的電力。Aliro智能門鎖標(biāo)準(zhǔn)的推出，將藍牙RSSI測距技術(shù)與UWB相結(jié)合，為藍牙信道探測的未來創(chuàng)新奠定了堅實的基礎(chǔ)。恩智浦的Trimension?系列結(jié)合了超寬帶(UWB)安全雷達和精細測距功能，與新推出的MCX W72無線微控制器一起，構(gòu)成了一個完整的定位設(shè)計平臺。

藍牙信道探測開啟了藍牙和定位技術(shù)令人興奮的新篇章。隨著主流智能手機芯片組供應(yīng)商紛紛宣布支持信道探測，我們很快就會看到配備了這一技術(shù)的新款智能手機，它們將能夠安全且準(zhǔn)確地測量距離。這一技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，門鎖和車鑰匙僅僅是開始，未來將有更多創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用誕生。