蓝牙室内定位技术综述及展望

彭业顺 李嘉玲 徐振飞 何观寰 贾 坡

（威凯检测技术有限公司 电子与通信事业部 广州 510663）

引言

随着物联网和人工智能的不断发展，定位技术在工业智能、自动驾驶等多个领域扮演着愈发重要的角色。定位技术按照使用场景不同划分为室内定位和室外定位。人类70 ～ 90 %的时间都是在室内活动，因此，室内定位技术在工业界和学术界掀起一阵热潮[1,2]。文献[3,4]中数据指出，2022年室内定位的市场规模预计达到409.9亿美元，基于位置的服务（Location Based Service，LBS）将遍布办公场所、停车场、机场、大型商场、医院、高档酒店、博物馆、养老院等人流密集之处，LBS通过定位导航为用户提供更精确、更高质量的服务。在垂直应用领域，如智能门锁、智慧园区、智能物流、矿井、消防等，精准的室内定位服务带来安全、便捷、高效用户体验，实现智能化资产管理与追踪，降低产业成本和特种作业风险。

目前常见的室内定位技术包括WIFI定位、蓝牙定位、红外定位、超带宽（Ultra Wideband，UWB）定位、Zigbee定位、射频识别（RFID）定位、超声波定位、LED定位等。不同的定位技术以及配置方案，其定位精度、稳定性、实施成本也不尽相同。其中蓝牙技术受益于标准规范的不断更新迭代和推广，蓝牙生态的应用丰富多彩。相比其他定位技术，蓝牙AoA（Angle of Arrival，到达角）定位技术兼具高精度、低成本、低功耗、高并发、高兼容性等特性优势。

本文通过介绍蓝牙AoA定位技术，并讨论了和蓝牙AoA高精度定位技术融合的室内多技术定位系统，指出了蓝牙AoA高精度定位技术面临的挑战和机遇。为大数据、云计算、机器学习和人工智能等技术催生出多样化和智能化的LBS产业提供实时高精度定位的技术方案和参考。

1 蓝牙定位技术的发展

1.1 基于范围检测的定位方法

根据不同功率等级的蓝牙设备的信号覆盖范围不同这一特性，蓝牙定位研究中引入了范围检测思想（也称Cell-ID思想）。2003 年 Anastasi G 等人[5]实现了一个基于Cell-ID的蓝牙IPS（Indoor Positioning system，室内定位系统）用来追踪移动用户在建筑物内的走动和站立，蓝牙IPS达到了“房间级”定位精度。同样是基于Cell-ID思想，文献[6]将蓝牙技术与3G网络技术进行融合，实现一个定位精度为10 m的的定位网络。Chawathe. S. S等人[7]利用Cell-ID 的思想将蓝牙beacon间共同覆盖区域标记，提出了一种决定移动终端位置的新方法。该些方法充分利用了蓝牙短距离接收范围不同的特性、蓝牙设备的低成本和易布置等优势。

1.2 基于信号强度的定位方法

基于范围检测的方法的定位精度只能达到“房间级”，无法满足室内定位更高精度的需求，文献[8-13]开始探索利用蓝牙RSSI（Received Signal Strength Indicator，接收信号强度）来提高蓝牙定位精度。这种方法是根据蓝牙信号传播的空间关系来确定蓝牙设备的位置坐标。

Kotanen. A等人[8]引入信号传播模型，构建了RSSI值与距离的函数关系，也加入了卡尔曼滤波算法来估计3D位置，定位精度为3.76 m。文献[9]利用蓝牙发射端和接收端间的距离与RSSI值的相关性，实现了一种基于蓝牙RSSI的定位系统。该系统提出了三角定位公式（LSE），定位误差为2.06 m。Bandara U等人[10]提出了一种多天线接入点的方法，解决了室内环境下信号强度受到多径衰退，干扰等影响和蓝牙建立连接时间过长的问题。文献[11,12]同样都是基于RSSI与距离的相关性，利用信号传播模型计算距离，其中文献[12]还用贝叶斯滤波算法分别对静态和移动用户的位置进行估计。文献[13]中采用指纹标定Fingerprinting的定位方法，采集了办公环境的蓝牙RSSI数据，系统的定位精度达到2.5 m。

以上基于RSSI的蓝牙定位研究中，都广泛采用了信号传播模型的方法。但是在实际应用环境中很难找到一个准确的信号传播模型来计算RSSI与距离的对应关系。因此，基于RSSI的蓝牙定位方法精度基本只能实现米级定位，很难突破至更高精度。

1.3 基于AoA的定位方法

2019年初，蓝牙联盟SIG（Special Interest Group）在蓝牙标准规范5.1中引入了“寻向”功能。这个功能可以检测蓝牙信号的方向，相比过去通过RSSI实现的指纹定位，“寻向”功能极大提高了定位精度。一般情况下，蓝牙5.1中的“寻向”功能的定位精度可以达到亚米级，蓝牙定位技术也进入了高精度定位领域范畴。

蓝牙高精度定位技术根据被定位终端的上下行模式不同，分为AoA到达角法和AoD（Angle of Departure）出发角法。但是，无论是AoA还是AoD，其角度检测的基本原理都是相同的。通过天线阵列获取信号在不同阵元上的相位差，然后通过信号角度估计算法获得来波方向信息。蓝牙5.1标准规范中为了更好地支持AoA/AoD，专门制定了信号IQ采样及CTE（Constant Tone Extension）的相关技术要求。

AoA到达角度法是利用单一天线发射寻向讯号，而接收端的装置内建天线阵列，当信号通过时，会因阵列中接收到的不同距离，产生相位差异，进而计算出相对的信号方向；AoD出发角度法则与前者相反，由已经固定位置具备天线阵列的设备来发送信号，传给单一天线终端，终端可以透过接收的信号计算出来波方向，进而定位。如表1所示，将AoA方法和AoD方法在发射端和接收端的定位特性进行了对比。从表1可以看出，接收端信号要进行I/Q采样，数据处理较复杂；相比发射端的AoA方法，发射端的AoD方法采用的是基站定位和天线阵列，系统成本和技术复杂性更高。所以，目前的蓝牙室内定位系统优先考虑蓝牙AoA定位。

表1 AoA方法及AoD方法的发射端和接收端对比

2 室内定位技术

除了蓝牙定位的方法外，其它无线通信技术中也被用作室内定位，下面从定位测量方法和定位信号源的角度同主流的基于无线定位的室内定位技术进行比较。

2.1 定位测量方法对比

目前常用的无线定位测量方法包括ToA、TDoA、RSSI和AoA。

2.1.1 ToA

ToA（Time of Arrival）又称 TOF（Time of Flight），测量信号从移动终端到基站的到达时间，从而计算基站与移动终端间距离。

ToA测量的定位方法也称多边定位方法。如图1所示，移动终端P是以三个基站A、B、C为圆心的圆交点。A、B、C三个基站的位置已知，与移动终端P的距离分别为R1、R2、R3。距离可以根据信号从移动终端到基站的传播时间为t和电磁波信号的传播速度为c进行计算，三个圆的半径分别为c×t1、c×t2、c×t3。

图1 ToA定位（三边定位）原理

2.1.2 TDoA

基于时间到达差（TDoA，Time Deference of Arrival）的定位法是利用不同基站对的信号到达移动终端的时间差进行定位计算。利用了双曲线的几何原理：一动点到两定点距离为定值的轨迹是双曲线。移动终端位于两对双曲线交点位置，此方法不要求基站与移动终端的时钟严格同步，不仅简化系统，还降低成本。

TDoA定位原理如图2所示。移动终端P位于两对双曲线的交点处，两对双曲线的焦点是A、B、C三个已知位置的基站。d1、d2、d3分别为移动终端P到基站A、B、C的距离，由双曲线的几何特性可知，d1-d2、d1-d3为定值。那么移动终端P的位置可以通过求解两个双曲线方程得到。所以，TDoA定位也称双曲线定位。

图2 TDoA定位（双曲线定位）原理

2.1.3 RSSI

移动终端根据当前测量值与数据库中数值匹配，从而确定移动终端的大致位置。RSSI定位分为信号模型定位和场强指纹定位两种。

信号模型定位是通过一些已知信号在自由空间传播遵循的固定衰减模型，得到信号强度RSSI与距离d远近的准确关系如下：

式中：

Pd—移动终端接收到的信号强度；

P0—距离基站d0处的信号强度；

n—信号衰减系数。

场强指纹定位是测量移动终端的接收功率，然后与指纹库的绝对功率做匹配，确定到达基站为最小欧式距离的移动终端坐标，最后对坐标进行加权平均运算获得定位结果。由于场强指纹法需要补偿功率差，过程较复杂，实现实时追踪难度较大。

2.1.4 AoA

AoA定位的发射端为单天线的移动终端，接收端是天线阵列的基站，测出移动终端发总至基站的无线信号在不同天线间的相位差，计算信号到达角，最后根据三角形的几何原理，求解移动终端位置。所以，AoA定位也称三角定位。如图3所示，AoA定位方法只需两个基站可确定移动终端位置，移动终端P的信号到达两个基站A、B的角度分别为θ1和θ2。

根据三角形几何知识将图3中移动终端P位置求解转化为图4中P点坐标求解。由于基站A、B的位置信息已知，通过公式变换，消除变量ri，易求得待移动终端P点坐标。

图3 AoA定位（三角定位）原理

图4 AoA算法示意图

相比ToA、TDoA和RSSI，AoA定位不需要时间同步，而且实现同维度的定位目标所需要的基站数量最少，但该方法必须要有方向性较强的天线阵列支持。基于四种定位测量方法的特点比较如表2所示。

表2 定位方法对比

2.2 室内定位技术对比

2.2.1 WIFI定位

WIFI就是基于IEEE802.11b标准的无线局域网，它已广泛应用于生活和工作中。使用WIFI信号定位不需要额外增加设备，定位成本较低，利于普及推广。目前主流的WIFI定位方法是基于RSSI的指纹定位法，定位精度约5～10 m，这取决于基准点的密度大小。

2.2.2 UWB定位

UWB定位系统通常包括UWB基站、定位标签。UWB技术是一种无载波通信技术，通过发送纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据，在较宽的频谱上传送极低功率的信号。由于UWB的高带宽，理论上可基于ToA或TDoA方法实现厘米级的定位。但UWB系统建设成本较高，影响了UWB技术的应用及推广。

2.2.3 蓝牙 RSSI定位

与WIFI定位原理相同，早期蓝牙定位是基于RSSI的信号模型定位法和场强指纹匹配法。因为大多数智能手机都自带蓝牙功能，极大方便了蓝牙技术的应用和蓝牙设备部署。最常见的蓝牙定位技术是基于蓝牙4.0的iBeacon技术，定位精度在2 ～ 10 m范围，取决于蓝牙信标的部署密度。iBeacon技术尚未大规模工程应用，其原因在于高密度部署蓝牙信标会使得系统成本偏高。

2.2.4 蓝牙AoA定位

蓝牙5.1版本的AoA/AoD定位技术让历经20多年发展的蓝牙技术焕发了蓬勃生机。目前基于蓝牙AoA定位技术的实时定位系统和IPS在智能建筑、智能工业、智慧城市等领域的众多场景中（包括智慧工厂、仓储物流、医疗养老、商超零售、能源化工、机场车站、博物馆体育馆等）得到应用，全球蓝牙相关设备产品的出货量有千万量级，在资产定位、人员定位、室内导航等方面发挥重要作用。

蓝牙AoA定位系统设计需要克服信号反射干扰、开关时间补偿、角度值误差以及极化状态干扰等困难。通常情况下可以通过增加阵元个数、增加快拍数、用改进计算算法抑制噪声以及卡尔曼滤波处理等方法提高定位精度。一般情况下，蓝牙AoA定位精度可以达到0.3 ～ 0.5 m。

2.2.5 蓝牙AoA定位技术优势

基于目前室内无线定位技术研究[13-19]，对主流的几种室内无线定位技术的对比分析如表3所示。结合表3可以总结蓝牙AoA定位综合优势有以下几点：①精度高。0.3 ～ 0.5 m高精度定位，与UWB同一个精度级别。②容量大。正向单基站1 Hz下500标签，反向播发容量无限。③功耗低。低功耗蓝牙标签电池最高续航超过5年。④成本低。系统成本远低于UWB，标签成本最低几十元；⑤生态丰富。各类蓝牙终端每年新增数量为千万量级，为手机提供精确LBS。

表3 室内无线定位技术对比

3 蓝牙AoA定位技术的机遇和挑战

3.1 挑战

3.1.1 如何保证蓝牙AoA定位的高精度

高精度室内定位可以在更多细分的应用领域找到更多需求。要实现高精度定位就是要将实时的位置信息数字化，即时间和空间信息的数字化。这个系统工程要考虑定位信息的刷新频率、功耗及系统容量等因素。

目前蓝牙AoA精确定位主要面临以下四个方面的挑战：①信号反射干扰；②开关时间补偿；③角度值误差；④极化状态干扰。

3.1.2 安全和隐私

安全与隐私问题一直是互联网和物联网应用中密切关注的热点，而目前的室内定位系统尚未有可靠的解决方案，尤其是设计网络的虚拟运营商服务和云计算的定位方案，容易泄露用户的位置数据。蓝牙AoA定位除了要考虑这些原因外，也要增强蓝牙无线通信数据保密性和通信链路的安全可靠性。

3.1.3 室内定位缺乏统一标准规范体系

制定规范的行业标准和认证是确保一个行业快速无缝衔接的基础, 从而确保建立跨芯片组、设备和基础设施服务的室内定位生态系统。但是，目前不同的室内定位技术在区域覆盖、维护管理成本、定位精度等方面存在各自的不足之处，室内定位技术没有形成相互补充的统一标准，缺乏适应室内复杂环境的成熟定位方案。

3.1.4 基建设施覆盖范围不够

高精度室内定位领域，蓝牙AoA与UWB的竞争愈发激烈。在新基建的风口上，蓝牙AoA能否大规模进行基础设施建设，实现信号大范围覆盖，让大规模的应用落地，是今后发展的关键。

3.2 机遇

3.2.1 室内多技术融合定位

迄今没有单一的室内定位方案适用于所有室内环境，因此基于多种测量方法和多种室内定位技术融合的IPS会是未来解决室内定位问题的趋势[20-23]。融合室内定位方法通过实现不同室内定位技术的互补，增强融合室内定位方案对复杂环境的适应性。融合室内定位方法由信源、算法和融合权重三部分组成。信源是通过室内定位技术获得的带融合数据，算法处理数据获得定位结果，合理分配融合权重产生最优位置估计。

蓝牙AoA定位技术优势会让其在未来室内做技术融合定位系统中大放异彩。IndoorAtlas的室内定位方案是PDR（Pedestrian Dead Reckoning，行人航迹推算）+地磁+BLE+WIFI+气压，用来追踪人员或设备资产。AiRISTA Flow融合了WIFI+BLE+RFID+IR四种无线通信技术，应用场景为病人管理的医疗服务、资产追踪、员工工作流程，定位精度为分米级，成本较低。

此外，BLE-AoA已经加进了蓝牙标准规范，这可以推动室内定位技术的标准加速建设，避免重复部署位置基站。

3.2.2 室内外联合定位

无线定位技术未来的发展方向将是室内室外跨场景、跨区域的联合定位[24-26]。Phunware公司的BLE/vBLE/WIFI+Fingerprinting定位方案，实现了室内定位与室外导航无缝切换，成本不高，但定位精度达到米级。对于未来智慧机场、智慧城市、大型商场、写字楼等场景，定位系统应应将室外行车路线、室内步行路线、地下车位信息、楼层信息、商户商品位置信息以及其他数据，为用户推送室内外精准信息和实时需求，提供多元化、一体化服务。室外地图以路况信息和智能交通为主，室内地图则需要提供直观的楼层信息，并将区域功能信息、商品或服务信息、人流信息嵌入其中，但室内地图和室外地图仍未能实现完全的网络互连、数据融通。下面以新基建中的智慧路灯和5G网络为例给室内外联合定位提供一些新的解决方案。

智慧路灯将通信技术与传统城市公共基础设施融合的典范，在“新基建”的政策下，蓝牙技术在智慧路灯建设中必将占据一席之地。蓝牙技术不仅能够实现路灯智能化升级组网，还能将蓝牙定位技术与智慧路灯结合。导入蓝牙精确定位技术，搭配微型定位标签，对指定的人或车辆进行定位追踪，并推播及时讯息，使智慧路灯成为路间数据的关键载体，弥补GPS定位在高架桥、铺路、隧道以及其他因建筑遮挡严重的地点不适用的问题。

蓝牙AoA的定位精度高虽然高，但通信能力不足。所以，将蓝牙AoA定位与5G基站联合部署，既可以减少因重复铺设基站带来的公用资源浪费，也可以将高精度定位与5G通信进行协同和联合。这种联合定位的方案，将实现海量应用的物联网中通信导航一体化的需求。同时，联合定位结合边缘计算、雾计算等技术，可以使5G通信网络为传统定位技术助力、赋能。

4 结论

蓝牙AoA定位技术在物联网高精度室内定位领域中有着独特优势和广阔应用前景。虽然，未来的室内定位中不可能只用单一技术适应复杂多变的室内环境，但是蓝牙AoA也会在多技术融合或联合中迸发蓬勃生命力。