藍(lán)牙測(cè)距原理

藍(lán)牙信道探測(cè)（Channel Sounding）技術(shù)，作為藍(lán)牙核心規(guī)范6.0中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)革新，憑借其顯著提升的藍(lán)牙距離測(cè)量精度，為眾多創(chuàng)新應(yīng)用鋪設(shè)了堅(jiān)實(shí)的基石。這一全新的安全、精密測(cè)距功能有望提高藍(lán)牙互聯(lián)設(shè)備的便利性、安全性和保障性為設(shè)備帶來(lái)真實(shí)的距離感知功能，為開(kāi)發(fā)人員和用戶創(chuàng)造更多可能性。

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

當(dāng)前市場(chǎng)上，基于藍(lán)牙的定位技術(shù)主要有以下4種：

藍(lán)牙廣播：在設(shè)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(shè)備主動(dòng)廣播其存在信息，掃描設(shè)備則能感知并識(shí)別這些信號(hào)，從而確定發(fā)射設(shè)備在有效范圍內(nèi)存在，缺點(diǎn)缺少距離感知。
RSSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）測(cè)距法：利用藍(lán)牙信號(hào)在空中傳播時(shí)隨距離增加而自然衰減的特性，RSSI測(cè)距技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)易而有效的距離估算方法。接收設(shè)備通過(guò)分析接收到的信號(hào)強(qiáng)度，能夠大致推斷出與發(fā)射設(shè)備之間的距離，缺點(diǎn)是精度有限，缺乏安全防護(hù)措施。
基于AOA/AOD的藍(lán)牙尋向功能：AOA（到達(dá)角）與AOD（出發(fā)角）技術(shù)的引入，可以讓接收設(shè)備確定信號(hào)的來(lái)源方向，缺點(diǎn)是容易收到多徑效應(yīng)和反射的影響，對(duì)多天線設(shè)計(jì)的技術(shù)門檻要求較高。
藍(lán)牙信道探測(cè)：作為藍(lán)牙定位技術(shù)的前沿探索，信道探測(cè)技術(shù)以其卓越的性能脫穎而出。它不僅能夠在 100 米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) +/-50 厘米的測(cè)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(cè)距技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，該技術(shù)還內(nèi)置了多層安全防護(hù)機(jī)制，有效抵御了中間人（MITM）攻擊，確保了定位過(guò)程的安全性與可靠性。

無(wú)線電磁波基礎(chǔ)概念回顧

在深入探討藍(lán)牙信道探測(cè)測(cè)距技術(shù)之前，我們先來(lái)了解無(wú)線電磁波的幾個(gè)基礎(chǔ)概念參數(shù)：

振幅：在無(wú)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(qiáng)度或能量大小。

周期：周期是波完成一次完整振動(dòng)所需的時(shí)間。對(duì)于無(wú)線電波來(lái)說(shuō)，周期是其基本特性的一個(gè)重要方面，它決定了無(wú)線電波的頻率（頻率是周期的倒數(shù)）。



波長(zhǎng)（λ）：無(wú)線電波長(zhǎng)是指無(wú)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(zhǎng)之間的關(guān)系。

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

藍(lán)牙信道探測(cè)采用了兩種成熟的測(cè)距方法，即基于相位的測(cè)距 (PBR) 和基于往返時(shí)間 (RTT)，在藍(lán)牙連接的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)安全、精細(xì)的測(cè)距。

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



根據(jù)通信原理，可以根據(jù)信號(hào)傳播的周期數(shù)得到信號(hào)傳播的距離。如上圖所示，假設(shè)信號(hào)以一個(gè)固定頻率f傳播，傳播速度為光速c，信號(hào)波長(zhǎng)為λ，信號(hào)共傳播N個(gè)周期，那么可以得到傳播距離為：

R = N*λ = N * c/f

但是通常設(shè)備無(wú)法得到發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備之間的信號(hào)傳播周期數(shù)，因此，PBR涉及一種技術(shù)通過(guò)其他數(shù)據(jù)得到設(shè)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(dǎo)距離的詳細(xì)公式：






這種方法稱為雙向測(cè)距，即第二個(gè)設(shè)備將信號(hào)傳回始發(fā)設(shè)備，以便進(jìn)行相位測(cè)量。

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







如果在多個(gè)頻點(diǎn)重復(fù)上述步驟，便可以得到高精度距離。

三
結(jié)語(yǔ)

藍(lán)牙信道探測(cè)作為藍(lán)牙核心規(guī)范 6.0 的關(guān)鍵特性，為藍(lán)牙技術(shù)在定位領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新天地。通過(guò)對(duì)其測(cè)距原理的深入探討，我們看到了這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力。隨著后續(xù)對(duì)鏈路層協(xié)議、Profile 協(xié)議以及泰凌藍(lán)牙信道探測(cè)測(cè)距方案的逐步解析，相信藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)將在未來(lái)的定位領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。