鄧詩凡蔣 偉楊俊杰隋志成姜少偉

藍(lán)牙到達(dá)角室內(nèi)定位抗干擾優(yōu)化研究

鄧詩凡1，蔣 偉1，楊俊杰1，2，隋志成2，姜少偉3

（1. 上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201306；2. 上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306；3. 上海正勤電子有限公司，上海 201199）

針對信號標(biāo)簽在基于藍(lán)牙5.1到達(dá)角（AOA）技術(shù)中因方向改變引起的定位結(jié)果不精準(zhǔn)問題，提出一種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動性管理方案，能夠有效減輕因信號標(biāo)簽方向性所帶來的多徑效應(yīng)，提升室內(nèi)實時定位精度，并實現(xiàn)其移動過程中的連續(xù)定位。最后對接收端設(shè)備的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，結(jié)合接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）實現(xiàn)接收端設(shè)備的動態(tài)選擇，并進(jìn)行移動性測試。實驗結(jié)果表明，應(yīng)用移動性管理方案后，系統(tǒng)定位結(jié)果受到信號標(biāo)簽位置和方向的影響減弱，定位精度得到有效提升，點(diǎn)位均方根誤差（RMSE）達(dá)到25.94 cm。

藍(lán)牙5.1；到達(dá)角；室內(nèi)定位；多徑效應(yīng)；移動性管理

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，各行業(yè)的制造商、供應(yīng)商、零售商、分銷商到消費(fèi)者都開始使用室內(nèi)定位技術(shù)，以提高其商品和資產(chǎn)在供應(yīng)鏈和工作環(huán)境中的可見性[1]。受衛(wèi)星信號穿透性的影響，尤其是在鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土建筑中，如廠房、會展館以及地下車庫等[2]，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation stellite system, GNSS）無法應(yīng)用[3]5，因此室內(nèi)定位系統(tǒng)（indoor location system, ILS）應(yīng)運(yùn)而生。在國內(nèi)外，室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展迅猛，目前的主流室內(nèi)定位技術(shù)包括無線保真（wirless fidelity, WiFi）、超寬帶（ultra wide band, UWB）、藍(lán)牙、慣性導(dǎo)航等[3]6-9。其中，基于藍(lán)牙4.0的低功耗藍(lán)牙定位技術(shù)引入了藍(lán)牙信標(biāo)，通過接收信號強(qiáng)度指示（received signal strength indication, RSSI）對信標(biāo)進(jìn)行定位，構(gòu)建起第一代藍(lán)牙位置服務(wù)（bluetooth location services, BLS）。相較于其他定位技術(shù)，藍(lán)牙定位技術(shù)具有連接快、功耗低、信號傳輸穩(wěn)定的特點(diǎn)[4]。在2019年，全新推出的藍(lán)牙5.1核心規(guī)范中加入了測向功能，該功能基于無線射頻通信的到達(dá)角（angle of arrival, AOA）技術(shù)和離開角（angle of departure, AOD）技術(shù)[5]，使得藍(lán)牙定位技術(shù)能夠支持更加準(zhǔn)確可靠的室內(nèi)藍(lán)牙位置服務(wù)。

但是在室內(nèi)應(yīng)用場景中，存在較多光滑反射面，AOA接收端容易受到反射信號的干擾，導(dǎo)致方向角計算不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響定位精度。同時，因發(fā)送端設(shè)備的天線存在一定方向性，會對方向角的計算結(jié)果產(chǎn)生復(fù)雜且疊加的影響。針對以上問題，本文從藍(lán)牙AOA接收端設(shè)備的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)著手，提出一種自適應(yīng)移動性管理方案，旨在優(yōu)化解決因信號標(biāo)簽（tag, TAG）天線方向性所導(dǎo)致的多徑信號干擾問題。

1 問題描述

1.1 AOA定位方法

最初的系統(tǒng)以主端定向天線為基準(zhǔn)，通過調(diào)整天線的不同朝向，并記錄下各朝向的RSSI，以RSSI最強(qiáng)的方向為信號的起源方向。如今，無線射頻測向技術(shù)引入了如針對室內(nèi)信號強(qiáng)度指紋定位算法及其相關(guān)改進(jìn)算法[6]、基于信號強(qiáng)度比值的定向方法[7]等新方法。藍(lán)牙5.1 中引入了支持高精度測向的新功能，能夠在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中準(zhǔn)確測出來向信號的方向參數(shù)[8]。藍(lán)牙AOA射頻測角技術(shù)相較于傳統(tǒng)RSSI定位在精度上能夠得到很大的提升，功耗也相對較低[9]，并且能夠為物聯(lián)網(wǎng)在不同應(yīng)用場景下的問題提供眾多高效的解決方案[10]。

圖1 基于AOA利用相位差計算到達(dá)角

1.2 藍(lán)牙定位干擾分析

1.2.1 實驗平臺

實驗基于數(shù)臺易連（SimpleLink?）多標(biāo)準(zhǔn)CC2652R無線微控制單元（microcontroller unit, MCU）啟動臺（LaunchPad?）開發(fā)套件所搭建的硬件環(huán)境，同時選用矩陣實驗室（matrix laboratory, MATLAB）搭建軟件環(huán)境，以便對硬件系統(tǒng)實時采集上傳的同相/正交數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理。在此基礎(chǔ)上，考慮到實時定位系統(tǒng)（real time location system，RTLS）的實際應(yīng)用場景，在接收端設(shè)備與主機(jī)端之間引入一款帶有網(wǎng)絡(luò)串口透傳芯片CH9121的模塊，該芯片可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和串口數(shù)據(jù)的雙向透明傳輸。通過交換機(jī)將所有接收端設(shè)備連接，收集各接收端上傳的數(shù)據(jù)包，或是分發(fā)應(yīng)用端下達(dá)的指令。這樣便完成了整個RTLS平臺的搭建，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，圖3為實際環(huán)境布置。

圖2 實時定位系統(tǒng)（RTLS）架構(gòu)

圖3 RTLS實驗平臺實測環(huán)境

1.2.2 干擾實驗

室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境所帶來的多徑效應(yīng)以及與藍(lán)牙2.4 GHz同頻段的無線信號干擾是影響藍(lán)牙AOA定位精度的主要因素，而室內(nèi)的多徑傳播一直是困擾無線通信應(yīng)用于室內(nèi)定位的難題[11]，為了探究同頻干擾及多徑效應(yīng)對于平臺定位精度的影響，設(shè)計了以下2個實驗。

圖4 多TAG互擾測試

圖5 和互擾測試點(diǎn)位

由于CC2652R LaunchPad開發(fā)套件上所采用的天線是印制電路板（PCB）水平極化天線[12]，且在實際應(yīng)用場景中，TAG的朝向具有不確定性，因此需要測試該環(huán)境下實驗平臺對于TAG朝向的兼容性，以及TAG中天線在實測環(huán)境中的表現(xiàn)。變更2個TAG的朝向，相較圖4中TAG的朝向逆時針旋轉(zhuǎn)90°。

圖6 和定向?qū)崪y角度

圖7 和定向測試點(diǎn)位

1.2.3 定位結(jié)果分析

圖8 和定向測試點(diǎn)位RMSE

2 AP拓?fù)鋬?yōu)化

前文中所涉及的定位實驗均是在2個AP平行放置的平臺下進(jìn)行，對TAG的方向較為敏感。又因室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號在傳輸過程中極易產(chǎn)生反射、衍射、穿透損耗，導(dǎo)致多徑信號在接收端處疊加，使原本信號的頻率、幅度在疊加后劇烈波動，對接收端AP的信號數(shù)據(jù)處理帶來不小的難度，需要針對復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境并基于藍(lán)牙定位平臺提出更加有效的多徑解決方案。

為了解決TAG方向性對系統(tǒng)定位精度的影響，減輕由此產(chǎn)生的多徑效應(yīng)影響，本文提出了一種多AP（3個及以上）的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的自適應(yīng)移動性管理方案，如圖9所示。

圖9 多AP藍(lán)牙AOA平臺空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖9所示的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以3個AP所形成的最佳三角定位區(qū)域為基礎(chǔ)，每增加1個AP，便擴(kuò)展出一塊新的三角定位區(qū)域。該方案具有極好的可擴(kuò)展性，能夠用于地下停車場、辦公樓等大型室內(nèi)場所的定位組網(wǎng)。

雖然單個AP的信號接收范圍有限，對多徑信號的處理能力也受天線陣列以及軟件算法的影響，但是借鑒移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)中鄰小區(qū)搜索的概念，也即終端不斷搜索并測量鄰小區(qū)的無線信道質(zhì)量，并對小區(qū)的信道質(zhì)量參數(shù)（如參考信號接收功率）進(jìn)行測量上報，使得在適當(dāng)?shù)臅r候進(jìn)行鄰區(qū)切換。該模式亦可應(yīng)用于藍(lán)牙AOA定位平臺之中。

此外，該空間拓?fù)浞桨讣饶軠p輕多徑信號對平臺的影響，保證系統(tǒng)的定位精度，又使得平臺具有對移動TAG的實時定位能力。為了保證處于連接態(tài)的TAG在移動情況下享受無中斷的位置服務(wù)，需要進(jìn)行移動性管理。實現(xiàn)移動性管理的邏輯框圖如圖11所示。

圖10 自適應(yīng)選擇示意圖

圖11 TAG位置服務(wù)移動性管理

3 實驗與結(jié)果分析

圖12為根據(jù)最低需求的自適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案（3個AP）所配置的實驗參考坐標(biāo)系，圖中的每1個小點(diǎn)表示實時繪制出的TAG點(diǎn)位，并在一段時間后形成了如圖所示的TAG移動軌跡。在本次實驗中，設(shè)定TAG的運(yùn)動路徑從（7 m，2 m）到（2 m，7 m），根據(jù)計算效率共設(shè)置201個采樣點(diǎn)。從圖中可以看出，移動中的TAG在不同的坐標(biāo)區(qū)間由不同的AP分組實現(xiàn)對其定位。在進(jìn)行基于RSSI值的AP組軟切換時，沒有出現(xiàn)明顯波動，表明多AP空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動性管理方案得到有效的應(yīng)用。對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析后，得到該組實驗的輸出點(diǎn)位RMSE為25.94 cm，表1中展示了部分定位結(jié)果的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

以上實驗結(jié)果進(jìn)一步證明該方案能夠有效地解決TAG在實際使用環(huán)境中的方向問題，并優(yōu)化在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下因信號反射所帶來的多徑效應(yīng)，減輕其對定位結(jié)果的影響。且相較于RSSI等其他室內(nèi)定位技術(shù)，藍(lán)牙AOA在定位精度上的優(yōu)勢更加突出。

圖12 TAG移動測試點(diǎn)位輸出

表1 TAG移動定位AP選擇及定位誤差分析 cm

4 結(jié)束語

本文介紹了基于CC2652R低功耗藍(lán)牙開發(fā)套件所搭建的AOA室內(nèi)定位平臺，設(shè)計了一系列實驗并提出了因TAG方向改變引起的定位結(jié)果不精準(zhǔn)問題。對TAG的方向數(shù)據(jù)進(jìn)行大量采樣分析后，得到因TAG中全向天線在不同方向的增益不平均所帶來的多徑效應(yīng)導(dǎo)致定位計算結(jié)果波動的結(jié)論。并且提出了一種空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自適應(yīng)移動性管理方案，有效減輕因TAG方向性所帶來的多徑效應(yīng)影響，提升實時定位精度，實現(xiàn)TAG在移動過程中的連續(xù)定位。

在實驗過程中，受設(shè)備中定向天線特性的影響，實驗結(jié)果會出現(xiàn)波動，且系統(tǒng)定位算法與定向天線陣列的設(shè)計息息相關(guān)。因此，接收端藍(lán)牙設(shè)備的天線陣列設(shè)計與發(fā)送端藍(lán)牙設(shè)備的天線設(shè)計至關(guān)重要，對于系統(tǒng)的整體定位性能起著不可忽視的作用，有待進(jìn)一步研究。此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使用藍(lán)牙無線組網(wǎng)模式優(yōu)化組網(wǎng)架構(gòu)，將控制端所采集的數(shù)據(jù)通過空口實時上傳到云端，并在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，必然會得到更準(zhǔn)確、實時性表現(xiàn)更好的定位結(jié)果。同時，也能夠使該平臺適用更加廣泛的應(yīng)用場景。

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Anti-jamming optimization of bluetooth angle of arrival indoor positioning

DENG Shifan1, JIANG Wei1, YANG Junjie1，2, SUI Zhicheng2, JIANG Shaowei3

（1. School of Electronics and Information Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306,China;2. Shanghai DianJi University, Shanghai 201306, China; 3. Zenchant Electronics Co. Ltd., Shanghai 201199, China）

Based on the inaccurate positioning results of signal tags in bluetooth 5.1 angle of arrival (AOA) technology caused by the changing direction, a spatial topology adaptive mobility management scheme, can effectively reduce the multipath effect caused by the directionality of signal labels, which improves real-time positioning accuracy, and realizes the continuous positioning in the process of moving. Finally, the spatial topology of the receiver device is arranged, and dynamic selection of the receiver device is realized by combining the received signal strength indicator (RSSI). The experimental result shows, after the application of the mobility management scheme, the positioning accuracy is effectively improved, with the root mean square error (RMSE) of points reaching 25.94 cm.

bluetooth 5.1; angle of arrival; indoor positioning; multipath effect; mobile management

P228

A

2095-4999(2022)06-0075-06

鄧詩凡, 蔣偉, 楊俊杰, 等. 藍(lán)牙到達(dá)角室內(nèi)定位抗干擾優(yōu)化研究[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報, 2022, 10(6): 75-80.（DENG Shifan, JIANG Wei, YANG Junjie, et al. Anti-jamming optimization of bluetooth angle of arrival indoor positioning[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2022, 10(6): 75-80.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20220610.

2022-06-28

上海市科技創(chuàng)新行動計劃地方院校能力建設(shè)項目（21010501000）；上海市教育發(fā)展基金會和上海市教育委員會“曙光計劃”（17SG51）。

鄧詩凡（1995—），男，重慶人，碩士研究生，研究方向為室內(nèi)定位。

楊俊杰（1977—），男，福建漳浦人，博士，教授，研究方向為智能電網(wǎng)/電力通信。