邓诗凡蒋 伟杨俊杰隋志成姜少伟
蓝牙到达角室内定位抗干扰优化研究
邓诗凡1，蒋 伟1，杨俊杰1，2，隋志成2，姜少伟3
（1. 上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 201306；
2. 上海电机学院，上海 201306；
3. 上海正勤电子有限公司，上海 201199）
针对信号标签在基于蓝牙5.1到达角（AOA）技术中因方向改变引起的定位结果不精准问题，提出一种空间拓扑结构自适应移动性管理方案，能够有效减轻因信号标签方向性所带来的多径效应，提升室内实时定位精度，并实现其移动过程中的连续定位。最后对接收端设备的空间拓扑结构进行布置，结合接收信号强度指示（RSSI）实现接收端设备的动态选择，并进行移动性测试。实验结果表明，应用移动性管理方案后，系统定位结果受到信号标签位置和方向的影响减弱，定位精度得到有效提升，点位均方根误差（RMSE）达到25.94 cm。
蓝牙5.1；
到达角；
室内定位；
多径效应；
移动性管理
随着物联网技术的应用日益广泛，各行业的制造商、供应商、零售商、分销商到消费者都开始使用室内定位技术，以提高其商品和资产在供应链和工作环境中的可见性[1]。受卫星信号穿透性的影响，尤其是在钢结构和钢筋混凝土建筑中，如厂房、会展馆以及地下车库等[2]，全球卫星导航系统（global navigation stellite system, GNSS）无法应用[3]5，因此室内定位系统（indoor location system, ILS）应运而生。在国内外，室内定位技术的发展迅猛，目前的主流室内定位技术包括无线保真（wirless fidelity, WiFi）、超宽带（ultra wide band, UWB）、蓝牙、惯性导航等[3]6-9。其中，基于蓝牙4.0的低功耗蓝牙定位技术引入了蓝牙信标，通过接收信号强度指示（received signal strength indication, RSSI）对信标进行定位，构建起第一代蓝牙位置服务（bluetooth location services, BLS）。相较于其他定位技术，蓝牙定位技术具有连接快、功耗低、信号传输稳定的特点[4]。在2019年，全新推出的蓝牙5.1核心规范中加入了测向功能，该功能基于无线射频通信的到达角（angle of arrival, AOA）技术和离开角（angle of departure, AOD）技术[5]，使得蓝牙定位技术能够支持更加准确可靠的室内蓝牙位置服务。
但是在室内应用场景中，存在较多光滑反射面，AOA接收端容易受到反射信号的干扰，导致方向角计算不准确，进而影响定位精度。同时，因发送端设备的天线存在一定方向性，会对方向角的计算结果产生复杂且叠加的影响。针对以上问题，本文从蓝牙AOA接收端设备的空间拓扑结构着手，提出一种自适应移动性管理方案，旨在优化解决因信号标签（tag, TAG）天线方向性所导致的多径信号干扰问题。
1.1 AOA定位方法
最初的系统以主端定向天线为基准，通过调整天线的不同朝向，并记录下各朝向的RSSI，以RSSI最强的方向为信号的起源方向。如今，无线射频测向技术引入了如针对室内信号强度指纹定位算法及其相关改进算法[6]、基于信号强度比值的定向方法[7]等新方法。蓝牙5.1 中引入了支持高精度测向的新功能，能够在复杂的室内环境中准确测出来向信号的方向参数[8]。蓝牙AOA射频测角技术相较于传统RSSI定位在精度上能够得到很大的提升，功耗也相对较低[9]，并且能够为物联网在不同应用场景下的问题提供众多高效的解决方案[10]。
图1 基于AOA利用相位差计算到达角
1.2 蓝牙定位干扰分析
1.2.1 实验平台
实验基于数台易连（SimpleLink™）多标准CC2652R无线微控制单元（microcontroller unit, MCU）启动台（LaunchPad™）开发套件所搭建的硬件环境，同时选用矩阵实验室（matrix laboratory, MATLAB）搭建软件环境，以便对硬件系统实时采集上传的同相/正交数据进行计算处理。在此基础上，考虑到实时定位系统（real time location system，RTLS）的实际应用场景，在接收端设备与主机端之间引入一款带有网络串口透传芯片CH9121的模块，该芯片可实现网络数据包和串口数据的双向透明传输。通过交换机将所有接收端设备连接，收集各接收端上传的数据包，或是分发应用端下达的指令。这样便完成了整个RTLS平台的搭建，系统架构如图2所示，图3为实际环境布置。
图2 实时定位系统（RTLS）架构
图3 RTLS实验平台实测环境
1.2.2 干扰实验
室内复杂环境所带来的多径效应以及与蓝牙2.4 GHz同频段的无线信号干扰是影响蓝牙AOA定位精度的主要因素，而室内的多径传播一直是困扰无线通信应用于室内定位的难题[11]，为了探究同频干扰及多径效应对于平台定位精度的影响，设计了以下2个实验。
图4 多TAG互扰测试
图5 和互扰测试点位
由于CC2652R LaunchPad开发套件上所采用的天线是印制电路板（PCB）水平极化天线[12]，且在实际应用场景中，TAG的朝向具有不确定性，因此需要测试该环境下实验平台对于TAG朝向的兼容性，以及TAG中天线在实测环境中的表现。变更2个TAG的朝向，相较图4中TAG的朝向逆时针旋转90°。
图6 和定向实测角度
图7 和定向测试点位
1.2.3 定位结果分析
图8 和定向测试点位RMSE
前文中所涉及的定位实验均是在2个AP平行放置的平台下进行，对TAG的方向较为敏感。又因室内环境复杂，信号在传输过程中极易产生反射、衍射、穿透损耗，导致多径信号在接收端处叠加，使原本信号的频率、幅度在叠加后剧烈波动，对接收端AP的信号数据处理带来不小的难度，需要针对复杂的室内环境并基于蓝牙定位平台提出更加有效的多径解决方案。
为了解决TAG方向性对系统定位精度的影响，减轻由此产生的多径效应影响，本文提出了一种多AP（3个及以上）的空间拓扑结构及其对应的自适应移动性管理方案，如图9所示。
图9 多AP蓝牙AOA平台空间拓扑结构
图9所示的空间拓扑结构以3个AP所形成的最佳三角定位区域为基础，每增加1个AP，便扩展出一块新的三角定位区域。该方案具有极好的可扩展性，能够用于地下停车场、办公楼等大型室内场所的定位组网。
虽然单个AP的信号接收范围有限，对多径信号的处理能力也受天线阵列以及软件算法的影响，但是借鉴移动蜂窝网络中邻小区搜索的概念，也即终端不断搜索并测量邻小区的无线信道质量，并对小区的信道质量参数（如参考信号接收功率）进行测量上报，使得在适当的时候进行邻区切换。该模式亦可应用于蓝牙AOA定位平台之中。
此外，该空间拓扑方案既能减轻多径信号对平台的影响，保证系统的定位精度，又使得平台具有对移动TAG的实时定位能力。为了保证处于连接态的TAG在移动情况下享受无中断的位置服务，需要进行移动性管理。实现移动性管理的逻辑框图如图11所示。
图10 自适应选择示意图
图11 TAG位置服务移动性管理
图12为根据最低需求的自适应拓扑结构方案（3个AP）所配置的实验参考坐标系，图中的每1个小点表示实时绘制出的TAG点位，并在一段时间后形成了如图所示的TAG移动轨迹。在本次实验中，设定TAG的运动路径从（7 m，2 m）到（2 m，7 m），根据计算效率共设置201个采样点。从图中可以看出，移动中的TAG在不同的坐标区间由不同的AP分组实现对其定位。在进行基于RSSI值的AP组软切换时，没有出现明显波动，表明多AP空间拓扑结构自适应移动性管理方案得到有效的应用。对定位数据进行误差分析后，得到该组实验的输出点位RMSE为25.94 cm，表1中展示了部分定位结果的坐标数据。
以上实验结果进一步证明该方案能够有效地解决TAG在实际使用环境中的方向问题，并优化在室内复杂环境下因信号反射所带来的多径效应，减轻其对定位结果的影响。且相较于RSSI等其他室内定位技术，蓝牙AOA在定位精度上的优势更加突出。
图12 TAG移动测试点位输出
表1 TAG移动定位AP选择及定位误差分析 cm
本文介绍了基于CC2652R低功耗蓝牙开发套件所搭建的AOA室内定位平台，设计了一系列实验并提出了因TAG方向改变引起的定位结果不精准问题。对TAG的方向数据进行大量采样分析后，得到因TAG中全向天线在不同方向的增益不平均所带来的多径效应导致定位计算结果波动的结论。并且提出了一种空间拓扑结构自适应移动性管理方案，有效减轻因TAG方向性所带来的多径效应影响，提升实时定位精度，实现TAG在移动过程中的连续定位。
在实验过程中，受设备中定向天线特性的影响，实验结果会出现波动，且系统定位算法与定向天线阵列的设计息息相关。因此，接收端蓝牙设备的天线阵列设计与发送端蓝牙设备的天线设计至关重要，对于系统的整体定位性能起着不可忽视的作用，有待进一步研究。此外，随着物联网技术的发展与应用，使用蓝牙无线组网模式优化组网架构，将控制端所采集的数据通过空口实时上传到云端，并在大数据技术的支持下对数据进行计算处理，必然会得到更准确、实时性表现更好的定位结果。同时，也能够使该平台适用更加广泛的应用场景。
[1] AHMED F, PHILLIPS M, PHILLIPS S, et al. Comparative study of seamless asset location and tracking technologies[J]. Procedia Manuf, 2020, 51(1): 1138-1145.
[2] FURFARI F, CRIVELLO A, BARONTI P, et al. Discovering location based services: a unified approach for heterogeneous indoor localization systems[J]. Internet of Things, 2021, 13(15): 100334.
[3] 闫大禹, 宋伟, 王旭丹, 等. 国内室内定位技术发展现状综述[J]. 导航定位学报, 2019, 7(4): 5-12.
[4] VARSAMOUS M, ANTONAKOPOULOS T. A bluetooth smart analyzer in iBeacon networks[C]//The Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE). Proceedings of 2014 IEEE Fourth International Conference on Consumer Electronics Berlin (ICCE-Berlin). Berlin, Germany: IEEE, 2014: 288-292[2022-04-23].
[5] PAU G, ARENA F, GEBREMARIAM Y E, et al. Bluetooth 5.1: an analysis of direction finding capability for high-precision location services[J]. Sensors, 2021, 21(11): 3589.
[6] 蔡朝晖, 夏溪, 胡波, 等. 室内信号强度指纹定位算法改进[J]. 计算机科学, 2014, 41(11): 178-181.
[7] 陈涛, 郭志强, 康乐峰, 等. 基于信号强度比值的定向方法[J]. 火力与指挥控制, 2021, 46(4): 175-179.
[8] HOLLANDER D. AOA and AOD significantly enhance the performance of bluetooth location service[J].Electronic Engineering & Product World, 2019, 26(5): 39-40.
[9] SURYAVANSHI N B, REDDY K V, CHANDRIKA V R. Direction finding capability in Bluetooth 5.1 standard[J]. Lecture Notes of the Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering, 2019, 276: 53-65.
[10] 常娥, 冷卫杰. 工业互联网无线室内定位技术概述[J]. 物联网学报, 2020, 4(2): 129-135.
[11] 毛虎, 杨建波, 邱宏坤. 多径效应对信号接收及方向测量的影响[J]. 电讯技术, 2010, 50(10): 63-68.
[12] 温拓扑, 丁文浩, 潘长勇. 基于定向天线的蓝牙室内定位系统[J]. 现代电子技术, 2019, 42(3): 6-9.
[13] 裴凌, 刘东辉, 钱久超. 室内定位技术与应用综述[J]. 导航定位与授时, 2017, 4(3): 1-10.
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
邓诗凡, 蒋伟, 杨俊杰, 等. 蓝牙到达角室内定位抗干扰优化研究[J]. 导航定位学报, 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
上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目（21010501000）；
上海市教育发展基金会和上海市教育委员会“曙光计划”（17SG51）。
邓诗凡（1995—），男，重庆人，硕士研究生，研究方向为室内定位。
杨俊杰（1977—），男，福建漳浦人，博士，教授，研究方向为智能电网/电力通信。
猜你喜欢移动性接收端定位精度基于扰动观察法的光通信接收端优化策略汽车实用技术(2022年5期)2022-04-02与5G融合的卫星通信移动性管理技术研究国际太空(2021年11期)2022-01-19基于多接收线圈的无线电能传输系统优化研究科学技术创新(2021年7期)2021-03-23手机无线充电收发设计科技与创新(2019年11期)2019-09-05摄影作品电脑后期制作的重要性研究——以井冈山不可移动性资源题材摄影为例科技传播(2019年24期)2019-06-15GPS定位精度研究智富时代(2019年4期)2019-06-01GPS定位精度研究智富时代(2019年4期)2019-06-01面向5G的移动性管理关键技术探讨移动通信(2017年19期)2017-11-14高分三号SAR卫星系统级几何定位精度初探雷达学报(2017年1期)2017-05-17基于泊松分布的无线物联网延迟接入路由研究软件导刊(2015年6期)2015-06-24