大话UWB定位之蓝牙定位的烦恼

近些年室内定位被炒得非常火,提供更低成本、更高精度、更容易普及的室内定位技术一直是室内定位领域研究的终极目标。

基于室内定位领域出现的定位技术也很多,有很多人尝试使用蓝牙定位方式做室内高精度应用,是否可行,本文我们就来分析一下!

蓝牙是如何在室内环境中进行定位呢?

其具体定位原理是基于RSSI信号强度定位,首先在区域内铺设蓝牙信标,由 Beacon 发射信号,蓝牙设备接收信号并反馈,当设备进入范围内时,估算系统中各蓝牙设备之间的距离。通过这种技术,定位系统在确定特定设备的位置时,精确度可达到米级。


一、不能走远了——信号强度衰落与距离之间的微妙关系

根据RSSI信号强度,蓝牙接收端距离发射端的距离越近,信号强度越强,反之,信号强度越弱。就像对于一个确定光度的光源来说,我们离光源越近,越亮,反之,距离越远亮度就越暗。

蓝牙定位就是通过两个蓝牙设备之间的距离与接收信号强度指示(接收功率)之间的关系,再通过三角定位原理进行定位。

上图所示,接收功率与距离关系图,标签接收周围信标的通信包的信号,测量信号强度,在已知发送端信号信标强度的情况下,可以通过上述理论曲线直接计算出标签到信标的距离。再通过多点定位的方式计算出标签位置。

通过信号强度的变换即可找出信号强度与距离发射端之间的关系。

我们通过上图可以看到,在距离超过3m后,随着距离的变化,信号强度变化会很缓慢。从图示可以得出距离在变化约4m对应的功率变化不到5个db,距离越远,情况会越恶化。然而祸不单行,一般芯片级接收机测量信号强度精度是在±3db左右,就会带来4m左右的定位精度误差。

也就是说短距离时蓝牙定位还能满足基本需求,但是距离远了,由于信号衰落,也就没办法要求高精度了。

如何解决?以多取胜!

上述我们说到了RSSI信号强度定位原理,得出距离越远,定位精度也会随之下降,那么为了实现高精度定位,只能将蓝牙设备的部署密度增大,在实际应用中一般3-6m部署一个基站,能够保证有3-5m的定位精度

但是凡事都有利弊,小场景还好,但是大场景就会存在节点较多的问题,对于布展施工、后期维护都增加了一定的难度。


二、如何应对无线信道的以下挑战:多径效应及瑞利衰落

同时,我们还是从这张图可以看到,距离超过1m时,实际接收的功率由于瑞利衰落造成的影响,波动会比较大,这也会对测量精度造成影响。

什么是瑞利衰落?

在无线通信信道中,由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来自不同传播的路径,各条路径延时时间的不同造成了相位偏移,而各个方向分量波的叠加,又产生了驻波场强,从而形成信号快速衰落或增强称为瑞利衰落。

瑞利衰落属于小尺度的衰落效应,距离变化可能10-20cm,信号强度就会发生很大的变化,它总是叠加于如阴影、衰减等大尺度衰落效应上。

是什么造成了瑞利衰落?

在大话系列第一章节中,我们讲了什么是多径效应,也就是由于室内环境的复杂性导致无线信号发生直射、反射、折射等现象而引起的无线信号通过不同路径到达无线信号接收点的情形。多径效应会引起空间选择性衰落,即不同的地点、不同的传输路径衰落特性不一样。

由于各种地形、地物、移动体引起的多径传播信号在接收点相叠加,由于接收的多径信号的相位不同、频率、幅度也有所变化,导致叠加以后的信号幅度波动剧烈。

在股市下降过程中,股价的分时瞬时值变化剧烈。上面提到的接收信号场强值的瞬时快速起伏、快速变化的现象也称为快衰落。

综上,由于瑞利衰落的影响,信号的剧烈波动,导致功率也是时强时弱,定位精度的误差也就时大时小

从根本来讲,多径是因为环境的复杂,那么是不是在空旷的环境下,受多径效应及锐利衰落影响就会小很多呢?


三、对不起,你挡住我信号了——遮挡物使得信号进一步衰减

还是从《接收功率与距离的关系曲线》一图来看,该曲线的前提在自由空间传播的情况,但是在蓝牙定位技术的实际应用中,信号会被人体或环境中障碍物遮挡,造成信道发生变化,信号进一步衰减,从而导致定位精度一定程度降低。

因此,在蓝牙实际应用场景中,如果是环境空旷无遮挡的环境,蓝牙定位技术的威力能得到最大程度的发挥

小结:蓝牙定位精度受接收端与发射点之间的距离、环境遮挡物、节点的密度以及布设位置等因素影响,目前业界使用蓝牙定位的精度可以达到3-5米左右。


四、功耗贵如黄金,吾等自应珍惜——谈谈蓝牙设备续航问题

按上述蓝牙的工作方式,定位标签需要接受到附近几个信标的的信号,才能进行定位,同时信标之间是随机向空间发送电磁波,标签并不知道信标什么时候发送,所以需要一直开启接收机进行接收,导致标签的功耗相对来说比较高,续航时间短。在蓝牙定位的实际应用中,一个胸牌大小的定位标签,蓝牙1Hz定一次位的续航时间是在5天左右。

综上:考虑到布设的规模、定位的精度、发射功率带来的功耗等问题,蓝牙定位并不能胜任更多物联网应用场景的高精度定位需求。它更适合用来告诉你:Hello,我来了!而不是告诉你,我在哪里?


值得一提的是,最新蓝牙5.1的发布,带来了全新的寻向功能,其关键技术为:多天线测向。

新技术值得去研究,但是蓝牙多天线技术无疑会增加蓝牙基站的复杂度和硬件成本。并且在现在复杂的2.4GHz频段下、在复杂的室内多径干扰下,能不能达到理论的厘米级精度,还有待考验。

期待蓝牙5.1新技术的实现可以提供厘米级的定位精度,给室内定位提供了一种更为可靠的技术方案。

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编辑于 2019-06-05