SiliconLabs的蓝牙AOA和AOD室内定位技术概述及比较

SiliconLabs 2022-10-26 17:00

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随着现在无线技术的发展，无线室内定位技术也得到了飞速的发展。现在常用的室内无线定位技术就有很多种，包括了基于AoX定位、RSSI定位、UWB超宽带定位等多种室内定位技术。

无线定位产品被广泛应用于医院、机场、酒店、博物馆、展馆、工厂等大型室内场景，尤其是高危行业人员定位管理。在化工厂、地铁施工、隧道施工等高危施工场所，人员定位管理是一个刚需，在一些场景中地方政府有出台一些强制性的文件，要求使用人员定位系统。在这些场景里面，一方面出于员工安全的角度，需要对员工进行定位，员工身处危险时进行呼救告警等；另一方面，在这些场所对访客进行定位管理，防止访客进入一些危险区域。

基于Silicon Labs AOA解决方案介绍

2022年6月，致力于安全、智能无线技术建立更互联世界的全球领导者Silicon Labs（芯科科技）宣布全新蓝牙定位服务解决方案，使用精准、低功耗的蓝牙器件以简化到达角（AOA）和发出角（AOD）定位服务。Silicon Labs提供了软件和硬件的参考设计，通过Silicon Labs BG22 SOC提供行业领先的能效，以及匹配的先进软件，实现资产跟踪、改善室内导航、得到亚米级的定位精度。

Silicon Labs EFR32BG22 SOC 支持标准蓝牙5.1的AOX定位模式和Silicon Labs独有的扩展AOX定位模式。

标准蓝牙5.1定位模式分为：面向连接的AOX定位和面向广播的AOX定位。面向连接的AOX定位方式向连接的AOX定位目前最大只支持32个标签进行连接；需要同时三个AOX locator连接到移动标签上再进行三边测量，耗时和功耗比较大。面向广播的AOX定位方式只能在ADV channel进行工作，系统容量要高于面向连接的定位模式，移动标签仍然需要同步到多个定位器进行三边测量，同样功耗还是偏高。

Silicon Labs扩展AOX定位模式可以在所有数据通道后添加CTE扩展帧，频谱最大化的无连接工作，所以系统容量远大于基于蓝牙5.1标准模式下的系统容量，无需连接，多个locator可以同时接收到CTE数据，标签的功耗更低，系统设计也更简单。

蓝牙在发送数据包时，会先发送前导码部分，依次接入地址、数据单元、CRC检测部分、CTE。数据包格式如下：

Silicon Labs数据包中增加了CTE字段（虚线框），此字段由一段连续的二进制符号1组成，由于BLE是使用GFSK调制，发送数据时的频率不是稳定的，在接收端并不能对这些调频信号进行准确采样，所以不能获得信号的精确相位信息，这也就是为什么在5.1版本之前，BLE不能支持计算波达角。改进后，发送端会以一个稳定的频率发送CTE，所以在接受端可以对这段稳定的频率进行采样，获取稳定频率的IQ数据，从而使得计算波达角。

在Silicon Labs AOD解决方案中提供了标签 Tag、基站Locator和服务器IQ数据解析软件的支持。测量精度可以做到方位角±3°、俯仰角 ±5°，每秒可以对多达100个Tag进行定位。

下面来进行一一介绍。

1. 标签 Tag

采用EFR32BG22C224F512GM32 低功耗SOC作为蓝牙5.2控制器，最大发射功率+6dBm，在 0 dBm 输出功率的条件下，TX 电流为 4.1 mA，RX 电流为 3.6 mA (1 Mbps GFSK)，1.40 μA EM2 深度睡眠电流，在 76.8 MHz 活动模式 (EM0) 下，运行功耗为 27 μA/MHz，优异的功耗参数保证了Tag的长期稳定运行。

2. 基站 Locator

Locator 设计采用4*4矩阵天线设计，面积160X160mm，比竞争对手小，可以对客户提供设计文件和性能测试资料；可以支持AOA和AOD应用，IQ数据通过串口进行输出。

3. AOX定位模式介绍
AOA和AOD的工作模式见下图：

4. RTL库支持

Silicon Labs 不仅提供硬件部分设计，还提供边缘网关RTL库，支持Cortex-A和X86平台处理器；当Locator完成标签数据收集后将IQ数据传输给边缘网关解析数据，过滤多径的数据，计算出方位角和俯仰角。

相关资料链接：

精准、低功耗蓝牙器件
https://www.silabs.com/wireless/bluetooth?cid=nat-prr-ble-062122
AoA和AoD定位服务
https://cn.silabs.com/wireless/bluetooth/direction-finding
BG22 SiP模块和SoC
https://cn.silabs.com/wireless/bluetooth/efr32bg22-series-2-modules?cid=nat-prr-ble-062122
蓝牙测向实验室手册https://www.silabs.com/documents/public/training/wireless/blutooth-direction-finding-lab-manual.pdf

无线室内定位技术对比

目前市场上比较常见的定位模式有如下几种：

1. 基于Zigbee/BLE RSSI定位技术
RSSI定位是根据信号强度和距离的关系计算位置的。这种定位模式一般采用至少三个固定标签+移动标签+网关（Sub-1G/Lora）的方式可以实现三角定位，移动标签通过扫描固定标签的信号，并将信号最强的3个数据发送给网关，网关将数据传送给服务器进行解析，并且在地图中呈现出来。

优势：在于这种模式功耗相对较低，系统成本低。

缺点：在于需要部署相应的固定标签和网关，相比之下网络建设的成本，网络维护的成本要增加不少，定位精度和固定标签的个数有关，一般定位精度可以做到1-5m范围内。

2. UWB 室内定位技术

UWB是利用信号在标签和基站之间的飞行时间来计算距离，时间和距离线性相关，所以定位精度高。UWB定位方式分为TWR和TDOA两种模式；由于基站到移动标签的距离清楚，采用三角定位算法就可以知道移动标签在空间的位置。

优势：在于同时具有实时定位和精确定位的双重优点，定位的延迟时间远远小于蓝牙定位、WIFI定位等其他的室内定位技术。精度可以达到10cm左右，是室内高精度定位的首选。并且具备高动态、高容量、低功耗的优点。

缺点：在于同样需要部署网关，在定位标签和定位基站的价格上相比WIFI和BLE产品比高出了很多。其次，UWB所需要的频段我国分配是从6G-9G，脉冲穿透性较差，如果产生遮挡，定位精度就会下降；还有UWB研发难度高，投入较大。

3. AOX定位技术
蓝牙AOX定位技术采用蓝牙AOX的基站，蓝牙标签发送的蓝牙信号到达不同天线之间会存在相位差，利用这个相位差，我们就能够得到蓝牙发射机到达接收机的角度。天线安装高度已经知道，就可以得出移动标签在空间的大概位置。

优势：在于标签成本较低，定位精度可以达到1m左右；部署比较简单；手机也可以作为标签使用。

缺点：也比较明显，单个定位天线覆盖范围不大，覆盖范围和基站天线的最大夹角45°左右；投影于地面就是一倍基站高度为半径的圆形区域；基站高度越高，覆盖范围越大；例如目前房间高度为3米，在保持精度的前提下，覆盖范围为半径为3m的圆形。

4. 对上述三种定位方式进行对比

定位方式	RSSI 定位	UWB	AOD
定位精度	2-5米	小于1米	1米左右
成本	低	高	较低
标签功耗	较低	高	低
使用场景	定位精度较低，一般适用于检测存在性	对定位精度比较高的场合	适合工厂、学校等环境