藍(lán)牙技術(shù)支持精確定位

想象一下，步入客廳時(shí)，手機(jī)立刻顯示出房間的燈光、溫度和電視設(shè)置。而離開客廳進(jìn)入臥室，手機(jī)也會(huì)自動(dòng)顯示臥室的智能設(shè)備設(shè)置。

如果家居設(shè)備通過智能手機(jī)安全準(zhǔn)確地知道人在家中或建筑中的位置，這一切都能實(shí)現(xiàn)。信道探測(cè)技術(shù)不僅能提升生活的便利性，還能用于高效的能源管理。以恩智浦在“國(guó)際嵌入式大會(huì)”上展示的信道探測(cè)演示為例，空調(diào)能夠使用通道探測(cè)技術(shù)自動(dòng)開啟或關(guān)閉。隨著未來幾代BLE標(biāo)準(zhǔn)的推出，這種基于信道探測(cè)的定位功能有望變得像藍(lán)牙技術(shù)一樣普及1。

測(cè)距并非新興技術(shù)

利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量并非新概念，為此已開發(fā)了多種技術(shù)。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)問世不久，便采用了接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)來進(jìn)行初步的距離估算(見圖1)。盡管RSSI操作簡(jiǎn)便，且受到眾多藍(lán)牙設(shè)備支持，但它在準(zhǔn)確性和安全性方面存在明顯的局限。通過使用多個(gè)天線和到達(dá)角/離開角(AoA/AoD)技術(shù)，提高了RSSI的測(cè)量精度(如圖2所示)，但這并未克服其安全性問題。AoA/AoD技術(shù)要求天線設(shè)計(jì)和布局極為精確，這不僅增加了成本，也加大了制造難度。產(chǎn)品中天線的位置公差必須控制得非常嚴(yán)格，否則任何微小的偏差都會(huì)影響測(cè)量精度。此外，RSSI、AoA和AoD的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量都可能受到墻壁和物體反射信號(hào)的干擾。正因?yàn)檫@些方法的限制，藍(lán)牙SIG開始探索一種名為信道探測(cè)的替代技術(shù)。

圖1——接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)使用接收信號(hào)的強(qiáng)度來估計(jì)距離

圖2——到達(dá)角/離開角使用天線陣列來估計(jì)距離

在使用RSSI、AoA和AoD技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量時(shí)，極易遭受“中間人”攻擊。這些技術(shù)僅通過信號(hào)強(qiáng)度來推斷距離，因此，如果有攻擊者能夠人為地增強(qiáng)信號(hào)，接收設(shè)備就會(huì)檢測(cè)到更強(qiáng)的信號(hào)并據(jù)此判斷目標(biāo)更近。如圖3所示。這種漏洞在門鎖等應(yīng)用中尤為嚴(yán)重，因?yàn)楣粽呖赡軙?huì)在最終用戶接近門鎖之前就將其解鎖。例如，在商業(yè)樓宇中，員工在停車場(chǎng)泊車時(shí)，攻擊者就有可能趁機(jī)潛入該樓宇。

圖3——攻擊者增強(qiáng)發(fā)射器信號(hào)的“中間人”攻擊

將信道探測(cè)應(yīng)用到實(shí)際中。了解有關(guān)恩智浦首款帶藍(lán)牙信道探測(cè)功能的微控制器MCX W72的詳情。

改進(jìn)后的測(cè)距方法

信道探測(cè)技術(shù)將成為使用BLE進(jìn)行距離估計(jì)的安全且準(zhǔn)確的新標(biāo)準(zhǔn)。它巧妙地將飛行時(shí)間(ToF)和往返相位(RTP)兩種測(cè)距技術(shù)融入到標(biāo)準(zhǔn)的BLE數(shù)據(jù)傳輸中，如圖4所示。具體來說，啟動(dòng)器首先發(fā)送ToF數(shù)據(jù)包給反射器，反射器接收后回復(fù)一個(gè)帶有接收時(shí)間標(biāo)記的ToF數(shù)據(jù)包。通過這種方式，利用光速，啟動(dòng)器能夠得到一個(gè)安全、大致的距離估計(jì)。隨后，啟動(dòng)器會(huì)發(fā)送一系列聲音信號(hào)至反射器，反射器再將這些聲音信號(hào)返回。通過分析這些信號(hào)的相位變化，可以實(shí)現(xiàn)更為精確的距離測(cè)量。結(jié)合這兩種技術(shù)，信道探測(cè)能夠在露天環(huán)境下達(dá)到±0.5米的精確度，為兩個(gè)BLE設(shè)備之間的距離測(cè)量提供了一種既安全又準(zhǔn)確的方法。

信道探測(cè)也大大提高了安全性，能夠有效防止使用現(xiàn)有技術(shù)的“中間人”攻擊風(fēng)險(xiǎn)。這是通過在距離估計(jì)中使用加密的、帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包來實(shí)現(xiàn)的，攻擊者無法復(fù)制這些數(shù)據(jù)包。同時(shí)，信道探測(cè)通過比較ToF和RTP的測(cè)量結(jié)果來確保一致性。在這些技術(shù)的加持下，通道探測(cè)為強(qiáng)大的安全性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4——通道探測(cè)程序方法

信道探測(cè)將為藍(lán)牙定位帶來許多優(yōu)勢(shì)，包括恩智浦在內(nèi)的許多硅片供應(yīng)商已經(jīng)開始為他們的芯片組提供信道探測(cè)功能的支持。啟動(dòng)器和反射器設(shè)備都需要具備信道探測(cè)功能，隨著智能手機(jī)迅速集成探測(cè)功能，該功能預(yù)計(jì)將迅速普及，成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

恩智浦助力實(shí)施信道探測(cè)技術(shù)

ToF和RTP距離估計(jì)算法計(jì)算量大，很容易使標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙MCU的內(nèi)核處理能力達(dá)到極限。為了幫助開發(fā)人員更快地將具有“定位”功能的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，新發(fā)布的MCX W72無線MCU系列提供了對(duì)最新藍(lán)牙信道探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的支持。MCX W72系列內(nèi)置了一個(gè)定位計(jì)算引擎，有效降低了距離估計(jì)算法對(duì)性能的影響和響應(yīng)時(shí)間。MCX W72是一款安全、靈活、穩(wěn)健的多協(xié)議無線MCU系列，支持Matter with Thread、Zigbee和BLE，適用于樓宇自動(dòng)化、智能家居和其他無線互聯(lián)設(shè)備。MCX W72的全面功能集，包括其定位計(jì)算引擎，展示在圖3中。

圖5——帶有定位計(jì)算引擎(LCE)的MCX W72結(jié)構(gòu)框圖

為創(chuàng)新搭建平臺(tái)

藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)的引入，憑借其卓越的安全性和精確度，為眾多創(chuàng)新的工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用敞開了新的大門，特別是當(dāng)與超寬帶(UWB)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合使用時(shí)。UWB技術(shù)通過在寬頻段上發(fā)送短脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了短距離內(nèi)的安全且精確的距離測(cè)量，精度通?？蛇_(dá)厘米級(jí)。這兩種技術(shù)的結(jié)合極大地提升了用戶體驗(yàn)。例如，在汽車領(lǐng)域，藍(lán)牙信道探測(cè)可用于安全且準(zhǔn)確地進(jìn)行較長(zhǎng)距離的粗略測(cè)距，而當(dāng)用戶接近汽車時(shí)，則切換至UWB射頻單元以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的定位。這種方法可以使UWB射頻單元保持更長(zhǎng)的斷電時(shí)間，從而節(jié)省汽車和用戶智能手機(jī)的電力。Aliro智能門鎖標(biāo)準(zhǔn)的推出，將藍(lán)牙RSSI測(cè)距技術(shù)與UWB相結(jié)合，為藍(lán)牙信道探測(cè)的未來創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。恩智浦的Trimension?系列結(jié)合了超寬帶(UWB)安全雷達(dá)和精細(xì)測(cè)距功能，與新推出的MCX W72無線微控制器一起，構(gòu)成了一個(gè)完整的定位設(shè)計(jì)平臺(tái)。

藍(lán)牙信道探測(cè)開啟了藍(lán)牙和定位技術(shù)令人興奮的新篇章。隨著主流智能手機(jī)芯片組供應(yīng)商紛紛宣布支持信道探測(cè)，我們很快就會(huì)看到配備了這一技術(shù)的新款智能手機(jī)，它們將能夠安全且準(zhǔn)確地測(cè)量距離。這一技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，門鎖和車鑰匙僅僅是開始，未來將有更多創(chuàng)新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用誕生。