浅谈蓝牙技术的演进

 

蓝牙技术是被广泛应用的短距无线连接技术，根据蓝牙特别兴趣小组的估计，到2024年，每年的蓝牙连接数量在50亿以上，并且将以9%的年复合增长率持续增加。蓝牙设备类型包括只支持经典蓝牙的设备、只支持低功耗蓝牙的设备以及双模设备。其中最主要的增长来自于低功耗设备的增长。

经典蓝牙指的是蓝牙4.0之前的蓝牙版本，典型应用是传统的蓝牙耳机设备。低功耗蓝牙指的是蓝牙4.0及之后的蓝牙版本，典型应用是低功耗的物联网设备，如蓝牙标签等，其中蓝牙5. 2引入了蓝牙音频功能。当前蓝牙特别兴趣小组的最新版本是蓝牙5.4版本。下一代最新蓝牙技术的版本和特性集合在刚刚过去的蓝牙特别兴趣小组在伦敦的会议中完成了定义，下一代蓝牙规范的版本是蓝牙6.0，不是我们之前想的蓝牙5.5，预计发布时间是2024年9月份。

蓝牙的应用并不是基于我们比较熟悉的IP架构，而是基于Profile的应用架构。在低功耗蓝牙中除了蓝牙音频这个比较大的功能之外，基于蓝牙的短距定位功能逐渐的引起了人们的注意。事实上，定位功能一直是人们的刚需，例如利用卫星提供的定位功能已经深入了人们的日常生活，基于宏基站的LBS技术也被很多国家定义为法规必选技术，例如E911的功能。而短距定位也有着广泛的应用场景。例如智能家居，仓储物流以及车载设备等，近期UWB技术也主打短距高精度定位的应用。

这里我们把蓝牙几个主要版本的定位方式和性能简单列了一下。

其中LE 4.0版本主要采用最基础的利用信号强弱的方式进行定位，胜在成本低廉，实现简单，但是定位精度不高。 

而蓝牙5.1引入了AoA和AoD技术进行测向。其中AoA技术跟UWB技术的AoA的技术原理一致，只不过信号体制不同而已。技术上都是假设一个终端设备（固定或移动）基于远场条件发射平面波信号，被多天线设备（固定）接收，根据多天线设备的天线距离和不同天线接收信号的相位差，可以计算出终端设备相对于多天线设备的方向，典型的应用包括资产标签，物流跟踪。AoD技术原理跟AoA类似，只是场景不同，这里不再赘述。

       

细心的小伙伴可能已经发现了，蓝牙5.1无论使用哪种方法，在物理层只能测量得到角度信息，那么距离信息是如何实现的呢？这里通常通过阵列天线技术实现多个角度的测量，例如圆阵列、面阵列在算法层面实现距离测量。最终实现米级定位精度。 

下一代的蓝牙版本主要提供了两个大的功能，一个被我们称为UTP的功能，这个功能主要是解决了低功耗蓝牙测试过程中传统DTM模式接线复杂的问题，相当于给研发和测试人员提供的一项福利。不过最新的会议结果是这项技术将会作为蓝牙6.1版本的主要增强特性，预计时间是2025年。作为测试工程师的我，对这个功能也是期待已久了。感兴趣的小伙伴可以去找找作者写的另外一篇文章。

敏感的小伙伴可能已经发现了，在蓝牙5.1的定位方案中，我们是需要利用天线阵列来进行测向定位的，多天线意味着空间增加，并且成本提高，因此蓝牙技术也在考虑使用更简单的方案进行定位。因此蓝牙6.0从功能上最重要的技术演进就是提供了Channel Sounding的功能，如果是对通信原理比较熟悉的小伙伴可能对Channel Sounding比较熟悉，一般我们是认为该技术主要通过测量信道冲击响应，来获取无线信道在特定频率和带宽的信道特性，从而改善信号传输，获得更好的性能。例如LTE和5G在上行都会有Sounding 参考信号发射。而在这里蓝牙利用Channel Sounding进行精准定位。该应用的典型应用包括无钥匙进入，和室内定位。

蓝牙6.0的Channel Sounding有两种不同的方法，一种是跟UWB非常类似的基于ToF的测量方法，在蓝牙系统中我们称之为RTT方法，另外一种方法是基于相位测距(PBR)的方式实现高精度定位(HADM)，在实际场景中，一般也是多种方法结合进行定位。这里我们主要介绍基于PBR方法的原理和测试，如下：

       

在发射端(Initiator)使用两种不同频率的信号和进行信号发射，这里不同的蓝牙信道，Channel Sounding使用了新的channel map，信道间隔为1MHz。接收端（reflector）接收到频率为的信号之后，回应该信号并且返回到Initiator侧得到相位，同理在第二次发射中我们利用频率为的信号得到了第二个相位测量值。通过简单的数学计算我们可以得到如下公式：

上述方法就是一个基本的PBR的基本原理，通过多频信号的相位测量得到测距结果。在实际系统实现的时候，会通过进一步的方法去改善测距精度以及提高抗干扰能力，例如构建Quick Tone Exchange（QTE）来进行频率补偿等方法，并且利用多次采样的方法提高测距精度。 

最后打一个小广告，我们可以看到，蓝牙测距的精度跟射频的质量，频率稳定度，天线切换性能等算法高度相关，因此一个强大的测试方案是保证蓝牙定位性能的重要手段，R&S提供从经典蓝牙到最新版本的低功耗蓝牙的完备的测试方案，测试方案覆盖产线，研发，认证。其中R&S紧跟蓝牙最新标准，近期会基于CMW500/CMW270推出蓝牙6.0的测试选件，CMW-KS725和CMW-KM725，测试项目包括如下发射接收指标测试。

  Transmitter testing

· Stable phase test

· Companion signal verification 

· Step mode frequency verification

· Antenna switching integrity (ASI)

· Power ramp profile, ramp down

Receiver testing

· Phase measurement accuracy

· RX antenna switching integrity (ASI)