藍牙尋向技術結合GNSS，展現高精準度室內定位

6GHz頻段能夠滿足人們對大頻寬服務和沉浸式體驗不斷增長的需求，而Wi-Fi 6E更逐漸成為網通、醫療、教育、體育和遊戲娛樂的行業標準。本文將比較目前室內定位4大應用技術，並著重介紹藍牙尋向技術及可發揮更精準定位的方式。
 
FCC（美國聯邦通信委員會）於2020年開放6GHz頻段後，為資訊傳輸帶來更高的速度和更低的延遲，因為提供更多的頻譜，能減少干擾和擁塞，提高通訊的效能與容量;之後，Wi-Fi 6E的規格於2021年頒布，為使用者、企業和服務提供商創造更多價值。6GHz頻段能夠滿足人們對大頻寬服務和沉浸式體驗不斷增長的需求，自推出以來Wi-Fi 6E已經成為網通產業、醫療保健、教育、體育和XR/VR遊戲娛樂環境中的行業規格標準。愈來愈多的製造商正在為其智慧型裝置（包括NB、智慧型⼿機、遊戲機與電視）配備Wi-Fi 6E的聯網功能。Wi-Fi聯盟預估，到2025年，52億個Wi-Fi 6產品出貨量中，41%具有Wi-Fi 6E功能。
 
6GHz頻段存取點裝置的3大分類

為了確保如專用短距離通訊（DSRC）、公共安全、電網管理服務等6GHz固定無線服務不會被Wi-Fi 6GHz頻段干擾，FCC根據發射功率水準定義了存取點裝置的三個主要分類：

1. 超低功率存取點，包括手機和車載存取點。
2. 用於固定室內使用的低功率室內存取點，80 MHz時為5 dBm/MHz或250mW EIRP（等效全向幅射功率）。
3. 標準功率存取點，能夠傳輸高達4W EIRP，適用於體育場、物流設施、製造工廠、學校園區，以及需要增強室內覆蓋的大型場所。 

在上述3個類別中，標準功率存取點存在干擾現有6 GHz電信鏈路的風險，因此FCC規範需要透過AFC（自動頻率控制）機制來保護它們免受新的、未經授權的Wi-Fi系統影響。在裝置運作期間，需要通過以下方式與AFC互動：

• 自動確定其地理位置，以及位置不確定性的度量。FCC法規要求提供不確定性測量，以公尺為單位，信賴區間為95%。
• 每24小時從AFC系統請求可用頻段列表（頻段可用性請求必須包括地理位置、序列號與FCCID）。
• 自主決定使用哪個操作頻段和EIRP。
• 如果與AFC失去聯繫，立即停止在6 GHz頻段上傳輸或退回到低功率模式。  

由於具有挑戰性的信號位置或多徑反射，許多存取點將無法獲得GNSS（全球衛星導航系統）信號，因此可以部署各種技術來克服這些限制，例如：GNSS數據可以與其他定位方法進行結合，包括Wi-Fi精細時間測量、超寬頻（UWB）、藍牙5.1到達角（AoA）和特定的RF飛行時間。
 
室內定位難題新解方：藍牙尋向技術

目前配備Wi-Fi或是藍牙的設備均可做室內定位的應用，使用技術共有4種：Wi-Fi有指紋（fingerprinting）與飛時（time-of-flight），藍牙則有RSSI（接收信號強度指示）與AoA（詳見表1）。Wi-Fi定位技術所需的硬體成本相對較高，然而能提供的精準度卻低於預期。藍牙RSSI儘管精準度也不算高，不過由於成本低、功耗低，且相容於目前市面上大部分的聯網設備，因此已成功在房間級（room-level）定位精準度的應用中站穩腳步。為了改善定位性能，藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）在2019年推出了藍牙尋向技術（Bluetooth Direction Finding），該方法使用新型藍牙信號和多天線陣列，測量行動標籤與一個或多個靜態錨點之間的藍牙訊息傳播角度，為室內定位難題帶來了新的解決可能性。這是首次有室內定位技術能夠符合高精準度、易於部署、設備成本低，以及低功耗等各項條件。
 

 
藍牙尋向技術的工作原理有兩個核心，首先是帶有被稱為固定頻率擴展信號（CTE）附加數據的新型藍牙尋向信號，藍牙訊息的其餘部分經過調變以攜帶數據，CTE由一連串的「1」組成，因此接收器可以使用這部分訊息來準確測量信號之間的相位差。其次，就是隱藏在每個錨點內部的多天線陣列。如圖1所示，說明了行動標籤發射的測向信號，是如何到達靜態錨點天線陣列的各個天線。由於行進距離不同，每個天線接收到的信號相對於其他天線都有輕微的相移，這是可以由CTE測量出來的。
 

 
接下來交由錨點內建的演算法來解析此數據，以計算出信號的到達角度。當使用多個錨點而不是單一錨點時，可以使用來自多個錨點的到達角度，以三角測量方式定位追蹤器的大致位置;這需要將錨點的精確位置和方向輸入定位引擎，然後運用另一種演算法，根據每個錨點計算出的到達角度，藉以算出附有標記資產的位置。安裝在靠近窗戶或室外的存取點可以用來做為錨點，使用這些方法的組合來協助定位現場其他的室內存取點。無論選擇何種方法，都必須使用適當的演算法來計算定位精準度，以達到FCC要求的95%信賴區間。這種複雜程度可能需要額外的技術組合、開發時間以及成本。
 
讓藍牙尋向技術有更好的精準定位

為了讓藍牙尋向技術有更好的精準定位，在選擇GNSS解決方案時，最好挑選可同時接收GPS、GLONASS、Galileo以及北斗等4個主要全球衛星系統，以確保最大的定位可用性，並獲得高度可靠的定位精準度。此外，具有優越的防欺騙式干擾與抗RF干擾功能也是必須的。例如u-blox M10平台就是一個很好的選擇，能夠使用保護級別（Protection Level）功能以滿足FCC定位精準度95%信賴區間的要求，且透過u-blox Super-S技術進一步提高了準確性，該技術提高了在弱信號環境中與小型天線一起使用時的性能，可提高25%無線天線放置的定位精準度。如圖2所示，該功能根據所有常見情況持續計算GNSS接收器預期誤差的上限錯誤來源，無須在Host MCU上做額外的定位精準度預估演算，可加速產品開發的時程。
 

 
Wi-Fi 6E在市場需求的推動下，在全球展開快速的發展動力。2022年9月，日本成為第22個採用6GHz頻段Wi-Fi 6E系統運行的國家，同時還有更多的國家也計畫全力推動導入。Wi-Fi 6E所帶來的高度市場成長性，的確十分令人期待。