【導(dǎo)讀】在精確感知成為萬物互聯(lián)核心需求的今天，從智能家居到自動駕駛，再到智慧倉儲，對厘米級精準(zhǔn)定位與可靠安全測距的追求正推動底層技術(shù)革新。傳統(tǒng)無線定位方案在精度、抗干擾與規(guī)模化應(yīng)用間面臨取舍。新興的藍(lán)牙信道探測（Channel Sounding）技術(shù)，通過分析無線信道本身的物理特征，實(shí)現(xiàn)了從“粗略存在性檢測”到“精確距離與位置感知”的本質(zhì)躍遷。本文將解析這一技術(shù)如何重塑近距離感知的規(guī)則，探討其在高安全性門禁、復(fù)雜室內(nèi)導(dǎo)航與大規(guī)模資產(chǎn)追蹤等場景中的關(guān)鍵設(shè)計考量與實(shí)施路徑，為開發(fā)者提供邁向下一代定位應(yīng)用的實(shí)用指南。
在精確感知成為萬物互聯(lián)核心需求的今天，從智能家居到自動駕駛，再到智慧倉儲，對厘米級精準(zhǔn)定位與可靠安全測距的追求正推動底層技術(shù)革新。傳統(tǒng)無線定位方案在精度、抗干擾與規(guī)模化應(yīng)用間面臨取舍。新興的藍(lán)牙信道探測（Channel Sounding）技術(shù)，通過分析無線信道本身的物理特征，實(shí)現(xiàn)了從“粗略存在性檢測”到“精確距離與位置感知”的本質(zhì)躍遷。本文將解析這一技術(shù)如何重塑近距離感知的規(guī)則，探討其在高安全性門禁、復(fù)雜室內(nèi)導(dǎo)航與大規(guī)模資產(chǎn)追蹤等場景中的關(guān)鍵設(shè)計考量與實(shí)施路徑，為開發(fā)者提供邁向下一代定位應(yīng)用的實(shí)用指南。
什么是藍(lán)牙信道探測技術(shù)？
低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy, BLE）已廣泛應(yīng)用于全球數(shù)十億臺電子設(shè)備，涵蓋智能手機(jī)、筆記本電腦、游戲手柄及車載娛樂系統(tǒng)等。2024 年 9 月，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group, SIG）發(fā)布藍(lán)牙核心規(guī)范 6.0 版本，其中新增的藍(lán)牙信道探測技術(shù)，此前被稱為高精度測距技術(shù)，該技術(shù)大幅提升了近距離無線測距的精度與安全性。
資產(chǎn)追蹤、地理圍欄、智能門鎖、遠(yuǎn)程無鑰匙進(jìn)入及倉儲管理等諸多應(yīng)用場景，均對近距離無線測距技術(shù)有強(qiáng)烈需求。藍(lán)牙信道探測技術(shù)整合了兩種成熟的測距方法，可實(shí)現(xiàn)兩臺低功耗藍(lán)牙設(shè)備間的距離測量，理論測距范圍達(dá) 150 米，定位精度高達(dá) ±20 厘米。實(shí)際應(yīng)用中的測距范圍與精度，取決于信號質(zhì)量（即信噪比，SNR），而信噪比又受發(fā)射功率、環(huán)境條件，以及基于相位測距（PBR）或往返時間（RTT）測量數(shù)據(jù)進(jìn)行距離估算的信號處理算法影響。增加天線數(shù)量有助于提升獲得良好信噪比的概率。
藍(lán)牙信道探測技術(shù)同時采用相位測距與往返時間測距兩種方式，以保障定位精度與安全性。盡管該技術(shù)規(guī)范要求設(shè)備需同時具備這兩種測距能力，但實(shí)際應(yīng)用中，開發(fā)人員可根據(jù)系統(tǒng)要求與場景需求，選擇其中一種或同時使用兩種方式進(jìn)行距離估算。
相位測距（PBR）
藍(lán)牙信道探測技術(shù)可用于計算兩臺配對藍(lán)牙設(shè)備間的距離。在雙設(shè)備架構(gòu)中，一臺設(shè)備作為 “發(fā)起端”，另一臺作為 “反射端”。采用相位測距方式時，發(fā)起端向反射端發(fā)送正弦波信號，反射端接收信號后原樣回傳，且該信號交互過程會在多個頻率上同步進(jìn)行。通過分析發(fā)射信號與接收信號間的相位差，即可最終確定兩臺設(shè)備間的距離（見圖 1）。
圖 1：發(fā)起端與反射端在多個頻率上交互正弦波信號，通過分析產(chǎn)生的相位差確定兩臺設(shè)備間的距離。（來源：藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟）
往返時間測距（RTT）
采用往返時間測距方式估算兩臺藍(lán)牙設(shè)備（發(fā)起端與反射端）間的距離，原理相對簡潔。信號數(shù)據(jù)包從發(fā)起端傳輸至反射端的傳播時間（ToFI - R），以及從反射端回傳至發(fā)起端的傳播時間（ToFR - I），共同構(gòu)成距離計算的基礎(chǔ)。已知電子信號以光速（c，恒定常數(shù)）傳播，設(shè)備間距離可通過以下公式計算：c × (ToFI - R + ToFR - I) ÷ 2
需注意，往返時間測距是基于無線傳輸?shù)挠嫊r方式。實(shí)際應(yīng)用中，還需考慮兩臺設(shè)備在信號無線傳輸前的準(zhǔn)備時間，以確保距離計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖 2：信號數(shù)據(jù)包在發(fā)起端與反射端之間往返的傳播時間，是距離計算的核心依據(jù)。（來源：藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟）
傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)在 2.4GHz 頻段共劃分 40 個信道，信道間隔為 2MHz。相比之下，藍(lán)牙信道探測技術(shù)支持多達(dá) 72 個信道，信道間隔僅為 1MHz，可提供更寬的工作帶寬。這種擴(kuò)展的信道配置對提升測量精度和系統(tǒng)穩(wěn)健性起到關(guān)鍵作用，尤其適用于存在多反射面和多徑傳播的復(fù)雜環(huán)境。通過利用數(shù)量更多、間隔更窄的信道資源，藍(lán)牙信道探測技術(shù)能夠更精準(zhǔn)地捕捉信道特性，降低干擾影響，從而提升距離估算與定位的可靠性。這一優(yōu)勢使其在存在障礙物和信號反射的實(shí)際藍(lán)牙部署場景中具備極高的應(yīng)用價值。
下圖為低功耗藍(lán)牙接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）、到達(dá)角 / 出發(fā)角（AoA/AoD）與信道探測技術(shù)的關(guān)鍵特性對比表。
圖 3 低功耗藍(lán)牙接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）、到達(dá)角 / 出發(fā)角（AoA/AoD）與信道探測技術(shù)的關(guān)鍵特性對比表。集成信道探測技術(shù)可同時提升系統(tǒng)性能與安全性。（來源：芯科科技）
信道探測技術(shù)的安全性
欺騙攻擊和中間人攻擊（MITM）是兩種常見的網(wǎng)絡(luò)攻擊手段。在欺騙攻擊中，惡意攻擊者偽造數(shù)字身份，偽裝成受信任的設(shè)備，誘導(dǎo)用戶授予訪問權(quán)限或泄露敏感信息。中間人攻擊則是指攻擊者秘密侵入兩臺通信設(shè)備之間的鏈路，攔截甚至篡改設(shè)備間的數(shù)據(jù)交互。一旦成功侵入系統(tǒng)，攻擊者便可操縱通信過程或竊取數(shù)據(jù)，以達(dá)成惡意目的。
當(dāng)相位測距（PBR）與往返時間測距（RTT）兩種技術(shù)協(xié)同工作時，藍(lán)牙信道探測技術(shù)的安全性將得到顯著增強(qiáng)。由于這兩種測距方法基于截然不同的物理原理，攻擊者很難在維持正常通信的前提下，同時對兩種技術(shù)實(shí)施破解。這種分層防護(hù)的設(shè)計，大幅提升了協(xié)同欺騙攻擊與中間人攻擊的實(shí)施難度。
信道探測技術(shù)的應(yīng)用場景
芯科科技產(chǎn)品營銷經(jīng)理阿希什?查達(dá)表示：“信道探測技術(shù)的應(yīng)用場景十分廣泛，涵蓋無鑰匙進(jìn)入啟動系統(tǒng)（PEPS）、自動繪圖以及室內(nèi)測距等領(lǐng)域。例如在多接入點(diǎn)（AP）網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)射功率需根據(jù)各接入點(diǎn)與相鄰設(shè)備的距離進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。借助信道探測技術(shù)，中央?yún)f(xié)調(diào)器可指定某一接入點(diǎn)作為發(fā)起端，與其他接入點(diǎn)進(jìn)行測距，從而確定各接入點(diǎn)的相對位置。對所有接入點(diǎn)重復(fù)執(zhí)行這一流程，即可生成網(wǎng)絡(luò)布局的幾何分布圖，實(shí)現(xiàn)功率控制優(yōu)化與空間感知能力提升?！?/p>
圖 4 藍(lán)牙信道探測技術(shù)的目標(biāo)市場與應(yīng)用場景。該技術(shù)已推動無鑰匙進(jìn)入啟動系統(tǒng)（PEPS）、自動繪圖、室內(nèi)測距等多領(lǐng)域應(yīng)用的跨越式發(fā)展。（來源：芯科科技）
藍(lán)牙信道探測技術(shù)為近距離應(yīng)用場景提供了高安全性的測距解決方案。其穩(wěn)定可靠的距離估算能力與抗欺騙攻擊特性，使其在傳統(tǒng)信號強(qiáng)度測距方法難以勝任的場景中具備顯著優(yōu)勢。以下為兩個典型應(yīng)用案例。
汽車安全無鑰匙進(jìn)入
在傳統(tǒng)中繼攻擊中，一名攻擊者潛伏在車主附近，攔截車主智能手機(jī)或鑰匙扣發(fā)出的身份驗(yàn)證信號；另一同伙則通過獨(dú)立通信鏈路，將攔截到的信號轉(zhuǎn)發(fā)至車輛，從而在未持有原始設(shè)備的情況下，實(shí)現(xiàn)對車輛的非法解鎖。
藍(lán)牙信道探測技術(shù)可針對此類攻擊提供強(qiáng)有力的防御。該技術(shù)整合了基于相位測距（PBR）與往返時間測距（RTT）的高級信號驗(yàn)證機(jī)制，構(gòu)建起難以被同時攻破的安全防護(hù)體系。這種分層驗(yàn)證機(jī)制能夠有效攔截非法解鎖嘗試，保障車輛門禁系統(tǒng)的安全性與可靠性。
倉儲應(yīng)用：高精度室內(nèi)定位
在倉庫、醫(yī)院等場所，精準(zhǔn)追蹤工具與設(shè)備的位置是保障運(yùn)營效率的關(guān)鍵。藍(lán)牙信道探測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位，大幅減少人工搜尋設(shè)備的耗時，優(yōu)化工作流程。在地震、重大交通事故等緊急情況下，醫(yī)院急診科室往往會陷入超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，各類急救設(shè)備可能被調(diào)配至不同科室使用。此時，精準(zhǔn)掌握關(guān)鍵設(shè)備的位置就變得至關(guān)重要，這有助于加快應(yīng)急響應(yīng)速度，提升救治效率。
設(shè)計實(shí)例
大型商業(yè)或工業(yè)建筑內(nèi)的設(shè)備通常需要部署多個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（AP），以維持穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。此類系統(tǒng)的部署過程耗時較長，需完成多項(xiàng)關(guān)鍵步驟：開展現(xiàn)場勘測并生成信號強(qiáng)度熱力圖、優(yōu)化接入點(diǎn)的安裝位置與配置參數(shù)、持續(xù)調(diào)試系統(tǒng)性能以減少信號衰減和干擾。此外，系統(tǒng)性能并非一成不變 —— 室內(nèi)家具布局調(diào)整、新增微波爐等干擾源，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。
以下為一個基于信道探測技術(shù)室內(nèi)測距能力、包含四個接入點(diǎn)的性能優(yōu)化設(shè)計實(shí)例。如圖 5 所示，某醫(yī)療場所內(nèi)部署了四個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)：AP0 位于行政辦公室、AP1 面向醫(yī)護(hù)人員辦公區(qū)、AP2 設(shè)置在醫(yī)生診室、AP3 用于連接核磁共振（MRI）設(shè)備。
室內(nèi)定位應(yīng)用設(shè)計實(shí)例
在室內(nèi)定位場景中，網(wǎng)絡(luò)需部署多個接入點(diǎn)（AP），并持續(xù)優(yōu)化性能以降低信號衰減與干擾帶來的影響。而定位性能并非一成不變，室內(nèi)家具擺放調(diào)整、新增微波爐等干擾源，都可能導(dǎo)致定位精度下降。
以下以醫(yī)療場所為例，介紹一套基于藍(lán)牙信道探測室內(nèi)測距能力、包含四個接入點(diǎn)的性能優(yōu)化方案。如圖 5 所示，該醫(yī)療場所部署了四個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)：AP0 位于行政辦公室，AP1 面向醫(yī)護(hù)人員，AP2 設(shè)置在診室，AP3 用于連接核磁共振設(shè)備。
圖 5：某醫(yī)療場所部署的四個網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，分別位于行政辦公室（AP0）、醫(yī)護(hù)區(qū)（AP1）、診室（AP2）及核磁共振設(shè)備區(qū)（AP3）。（來源：Silicon Labs）
接入點(diǎn)部署的核心設(shè)計要點(diǎn)，在于合理規(guī)劃接入點(diǎn)間的距離與通信功率。若接入點(diǎn)間距過近，可通過降低發(fā)射功率減少信號干擾，提升網(wǎng)絡(luò)整體穩(wěn)定性。藍(lán)牙信道探測技術(shù)能精準(zhǔn)測量設(shè)備間距離，為系統(tǒng)智能優(yōu)化提供支撐。通過評估設(shè)備間距與部署密度，可動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，保障通信效果。
具體操作中，由中央?yún)f(xié)調(diào)器指定一個接入點(diǎn)（如 AP0）作為發(fā)起端，其余接入點(diǎn)作為反射端。發(fā)起端依次與其他接入點(diǎn)完成測距操作，隨后按此流程切換發(fā)起端，完成所有接入點(diǎn)間的測距。最終生成網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)相對位置的幾何分布圖（見圖 6），為藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)化通信功率提供數(shù)據(jù)支撐。
圖 6：接入點(diǎn)相對位置幾何分布圖，藍(lán)牙信道探測技術(shù)可依據(jù)該圖確定各接入點(diǎn)間的最佳通信功率。（來源：Silicon Labs）
本實(shí)例中，所有接入點(diǎn)均集成了支持藍(lán)牙信道探測技術(shù)的片上系統(tǒng)（SoC），如 Silicon Labs 的 BG24 或 BG24L 芯片，這些芯片可靈活切換發(fā)起端與反射端兩種工作模式。在初步設(shè)計階段，建議使用搭載雙天線信道探測模塊的開發(fā)套件進(jìn)行設(shè)備測試（見圖 7）。這類經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證的開發(fā)套件，能大幅減少開發(fā)過程中的試錯環(huán)節(jié)。設(shè)計定型后，可將片上系統(tǒng)集成到體積更小巧的接入點(diǎn)硬件中。此外，Silicon Labs 還為開發(fā)套件提供配套軟件支持，助力開發(fā)流程簡化與部署周期縮短。
圖 7：雙天線信道探測開發(fā)板（正面）示例，包含信道探測片上系統(tǒng)、雙天線及板載調(diào)試器。（來源：Silicon Labs）
Silicon Labs 藍(lán)牙產(chǎn)品經(jīng)理甘蘇?納塔拉詹表示：“開發(fā)人員在基于藍(lán)牙信道探測技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，需求存在差異。部分應(yīng)用需強(qiáng)大的計算與存儲能力，以完成復(fù)雜的測距運(yùn)算；而部分應(yīng)用僅需部署具備快速響應(yīng)能力的簡易節(jié)點(diǎn)，無需承擔(dān)繁重的運(yùn)算任務(wù)。引腳兼容的 BG24 與 BG24L 芯片，為開發(fā)人員提供了靈活的選擇。BG24 芯片配備 256KB 靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器與 1536KB 閃存，適合運(yùn)行內(nèi)存占用較高的算法，是信道探測發(fā)起端的理想選擇；BG24L 芯片則更適用于反射端設(shè)備，如資產(chǎn)標(biāo)簽、近距離門禁設(shè)備等，這類節(jié)點(diǎn)僅需穩(wěn)定高效地響應(yīng)指令，無需執(zhí)行測距運(yùn)算?！?/p>
發(fā)展前景
藍(lán)牙信道探測技術(shù)為低功耗藍(lán)牙技術(shù)帶來了重大突破。在接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）及到達(dá)角 / 出發(fā)角（AoA/AoD）技術(shù)基礎(chǔ)上，疊加信道探測技術(shù)后，安全追蹤、倉庫精準(zhǔn)室內(nèi)定位、智能門鎖、地理圍欄等諸多應(yīng)用，均實(shí)現(xiàn)了定位精度與安全性的雙重提升。本文提供的設(shè)計實(shí)例，為開發(fā)人員提供了集成藍(lán)牙信道探測技術(shù)的詳細(xì)步驟。未來幾年，藍(lán)牙信道探測技術(shù)將逐步融入全球藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)，推動生態(tài)持續(xù)擴(kuò)展。
藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟技術(shù)營銷總監(jiān)達(dá)蒙?巴恩斯稱：“市場對藍(lán)牙技術(shù)的需求將持續(xù)增長。據(jù) ABI Research 預(yù)測，2025 年全球藍(lán)牙設(shè)備出貨量將達(dá) 53 億臺，到 2029 年有望增至 77 億臺，年復(fù)合增長率達(dá) 9%。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)計，藍(lán)牙信道探測技術(shù)將為市場增長貢獻(xiàn)重要力量?！?/p>
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