第2章 低功耗蓝牙5.1与AoA/AoD定位

2.1 无线测向与AoA/AoD定位

2019年1月29号，蓝牙联盟正式推出了低功耗蓝牙5.1，引入了业界期待已久的寻向功能，实现了测向功能和厘米级的定位服务。寻向功能的加入，使室内定位变得更加精准，大大提高了位置感知能力，为目标定位、室内导航、智能家居提供了良好的解决方案。

无线测向是一项成熟技术，早在20世纪初，无线电测向技术就广泛应用于航空、航海、野生动物跟踪等领域。无线测向是依据电磁波的传播特性来测定无线电波来波方向的过程，其实质就是测量到达电磁波的波阵面的法线方向之间的夹角。

低功耗蓝牙5.1使用两种基于天线阵列（Antenna Array）的测向技术：到达角（Angle of Arrival，AoA）方法和离开角（Angle of Departure，AoD）方法。

AoA方法是利用单一天线发射寻向信号（信标信号），接收端内天线阵列不同位置的天线在接收信标信号时，会产生相位差异，根据相位差异可计算出相对的信号方向。AoD方法与AoA方法相反，发射端具有天线阵列，接收端采用单一天线，接收端可以通过接收到的信标信号来计算来波方向。

对于AoA方法，发射端发送一个固定频率扩展（Constant Tone Extension，CTE）信号，接收端在接收CTE信号时按照一定的顺序切换不同的接收天线。

对于AoD方法，发射端在发送CTE信号时按照一定的顺序切换不同的发射天线。CTE信号中的各个分量在发送/接收时会在不同的天线上进行切换，接收端先通过IQ采样计算无线电波的相位差，再通过相位差、波长及天线间距即可计算到达角或离开角，从而实现定位。

在AoA方法中，发射端通过单一天线发射CTE信号，接收端具有双天线或者多天线阵列，由于各天线距离发射端的位置不同，因此接收到CTE信号的时间也不同，从而可计算出接收端与发射端的角度。

在AoD方法中，发射端通过在天线阵列中切换天线来发射CTE信号，接收端通过单一天线来接收CTE信号，发射端发射的CTE信号中含有天线的位置信息，接收端通过计算接收到CTE信号的时间，可以计算出接收端与发射端的角度。

AoA方法和AoD方法的对比如表2-1所示。

无论AoA方法还是AoD方法，测量角度的基本原理都是先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来获得来波方向的信息。

通常AoA方法使用得较多，这是因为发射端采用单一天线，而在应用中发射端设备的数量通常较多，单天线设备可有效降低成本，易于进行大规模部署；接收端通常是采用包括多天线阵列的网关，由于在系统中网关使用数量较少，有利于降低系统整体的成本。