藍牙連接模式對室內(nèi)定位性能的影響*

李 芳 ，徐光明 ，劉 成 ，相恒永 ，施滸立 ，江 娟 ，寧永科 ，錢小龍

（1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 030000；3.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；4.中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029；5.北京空間技術(shù)信息研究所，北京 100094；6.桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和位置大數(shù)據(jù)時代的來臨，室內(nèi)定位技術(shù)受到廣泛研究和重點關(guān)注，室內(nèi)位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）產(chǎn)業(yè)也已迅速規(guī)?；砷L。距統(tǒng)計，都市人群80%以上的時間在室內(nèi)環(huán)境中度過。室內(nèi)LBS可為消費者提供商場導(dǎo)購、停車場泊車/尋車、防走失、社交交友、展廳/景區(qū)自主導(dǎo)游等服務(wù)，為企業(yè)提供人流監(jiān)控分析、智慧倉儲物流、智能制造、人員資產(chǎn)管理等應(yīng)用，打破線下人與物的邊界，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)。此外，大量的位置數(shù)據(jù)得以產(chǎn)生和積累，通過數(shù)據(jù)的挖掘和分析，將促進行業(yè)效率提升與轉(zhuǎn)型，并帶動新型產(chǎn)業(yè)生成[1-2]。

藍牙無線定位是當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)中最常用的解決方案之一[3-4]，它最早由諾基亞發(fā)起和使用。2013 年，蘋果發(fā)布了基于藍牙4.0 低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）協(xié)議的iBeacon 協(xié)議[5]，主要針對零售業(yè)應(yīng)用，引起了市場的廣泛關(guān)注。同時，由于智能手機等設(shè)備中開始普遍集成BLE模塊，使得開發(fā)者們能夠直接基于手機開發(fā)各種場景下的室內(nèi)LBS 應(yīng)用，而人們通過手機APP即能享受便捷的室內(nèi)LBS 服務(wù)，這使得藍牙室內(nèi)定位方案更具性價比。然而，BLE 設(shè)備及其協(xié)議仍是通信傳輸為首要設(shè)計目的，它并非專門為導(dǎo)航定位開發(fā)，也不具備衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號中的偽隨機碼精確測距功能[6]。因此，只能通過測量藍牙信號的接收信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）估算用戶至BLE熱點接入設(shè)備（Access Point，AP）的幾何距離，從而完成定位。

在實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)不同通信連接方式下的BLE 測距性能具有很大差異，從而會顯著影響系統(tǒng)最終定位服務(wù)性能。針對這一關(guān)鍵問題，本文總結(jié)了BLE 設(shè)備的連接模式，并對不同連接模式下的BLE 測距性能進行了測試和比較。在此基礎(chǔ)上，利用自行搭載的室內(nèi)定位環(huán)境開展實驗，驗證和分析了其對用戶實際定位性能的影響。本文相關(guān)結(jié)論能夠為室內(nèi)BLE 定位系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供有益參考。

1 藍牙Beacon 定位方法

1.1 三邊交會方法

三邊交會是導(dǎo)航定位中最常見的數(shù)學(xué)模型，GPS、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是其最具代表性的應(yīng)用。在藍牙三邊交會定位中，用戶終端通過測量得到周圍最少3 個Beacon 熱點模塊（對于2 維定位應(yīng)用而言最少為2 個）的RSSI 值，利用信號路徑衰減模型估算自身至各個Beacon熱點模塊之間的傳輸距離[7]。常用的路徑衰減模型主要有線性模型、經(jīng)典對數(shù)模型等。其中，線性衰減模型假設(shè)信號強度r（d）（單位：dBm）與傳輸距離d（單位：m）之間呈線性分布關(guān)系：

式中，p 為裝置發(fā)射能量（單 位：dBm），α0、α1為衰減系數(shù)。該模型已寫入電氣與電子工程師協(xié)會（Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE）802.15a 信道模型標(biāo)準(zhǔn)中，適用于短距離傳輸環(huán)境[8]。

對數(shù)模型有時也稱為陰影模型，它假設(shè)信號在傳輸過程中的信號強度與距離呈對數(shù)變化關(guān)系，適用于大部分的無線局域傳輸環(huán)境。對數(shù)模型接收信號強度r（d）與其對應(yīng)傳輸距離d 之間的關(guān)系也由對數(shù)函數(shù)模型表達為：

式中，βi（i=0，1）為衰減系數(shù)，通常在2～5 之間取值。

通過測量終端P 至多個Beacon 熱點模塊之間的距離，即能利用三邊交會法構(gòu)造測量方程組并求解得到終端空間坐標(biāo)位置。如圖1 所示，設(shè)三個Beacon 熱點AP1、AP2、AP3的已知坐標(biāo)分別為（x1，y1，z1）、（x2，y2，z2）、（x3，y3，z3），終端P 至節(jié)點的測量距離分別為d1、d2、d3，則可得到距離觀測方程：

圖1 三邊交會原理示意圖

對式（3）進行泰勒級數(shù)線性化展開后，即可利用高斯迭代求解得到用戶終端P 的坐標(biāo)位置（x，y，z）。

1.2 位置指紋匹配方法

三邊交會方法原理簡單直觀，但其最大問題在于，受復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下信號遮擋、反射、多徑等影響，利用信號傳輸衰減模型估算用戶至AP 之間的幾何距離容易產(chǎn)生較大誤差[9]；此外，采用交會方式進行定位，還必須事先測定得到各個藍牙模塊在局域坐標(biāo)系下的準(zhǔn)確坐標(biāo)[10]，這在實際應(yīng)用中是不易實現(xiàn)的。

鑒于上述原因，基于RSSI 的位置指紋匹配方法（Fingerprinting）成為室內(nèi)定位中更為常見與實用的方法。Fingerprinting 基本原理是定位環(huán)境進行抽象和形式化描述，使用環(huán)境中各個無線傳感器AP 的RSSI 描述位置信息，并通過采集這些RSSI 測量值建立參考位置指紋數(shù)據(jù)庫（Dataset）。用戶在線定位時，將自身實時測量得到的RSSI 測量值與位置指紋數(shù)據(jù)庫中的RSSI 參考值匹配，選取出與自身RSSI 測量值具有最佳相似度的若干個參考點，并利用K 鄰近（K-Nearest Neighbor，KNN）、加權(quán)K鄰近（Weight K-Nearest Neighbor，WKNN）等算法估計自身位置坐標(biāo)[11]。

RSSI Dataset 的預(yù)先采集，一般需要工作人員攜帶裝有專門軟件的設(shè)備或智能手機，以一定的步長遍歷室內(nèi)空間，如圖2 所示。

圖2 RSSI Database 的采集與建立

2 BLE 廣播類型與連接模式

BLE模塊布設(shè)并運行時，需為其選擇設(shè)置一種廣播類型。BLE 共有四種廣播類型，分別是：可連接非定向廣播（Connectable Undirected Event Type）、可連接定向廣播（Connectable Directed Event Type）、不可連接非定向廣播（Non-connectable Undirected Event Type）以及可掃描非定向廣播（Scannable Undirected Event Type）[12]。

其中，“可連接非定向廣播”類型包括廣播數(shù)據(jù)和掃描響應(yīng)數(shù)據(jù)的功能，它表示當(dāng)前設(shè)備可以接受其他任何設(shè)備的連接請求。“可連接定向廣播”類型是為了盡可能快地建立連接，其廣播報文中包含了廣播者地址與發(fā)起者地址，發(fā)起者接收到發(fā)送給自己的定向廣播報文后，可立即響應(yīng)并發(fā)送連接請求?！安豢蛇B接非定向廣播”類型僅發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，不接受連接請求。“可掃描非定向廣播”類型不能發(fā)起連接，但允許其他設(shè)備掃描該廣播設(shè)備；換言之，設(shè)備既可以發(fā)送廣播數(shù)據(jù)，也可以響應(yīng)掃描并發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)，但不能建立連接。四種不同的廣播類型對掃描請求和連接請求的不同響應(yīng)情況見表1 所示。

表1 不同廣播類型對掃描請求和連接請求的響應(yīng)

綜上，若僅需定時傳輸一些固定的簡單數(shù)據(jù)，可使用“不可連接非定向”廣播類型，此時廣播者與接收者之間不進行任何額外的數(shù)據(jù)交互。如果除廣播數(shù)據(jù)之外，還有一些額外數(shù)據(jù)需要傳輸，則可使用“可掃描非定向”廣播類型；此時廣播者在周期性廣播的同時會監(jiān)聽掃描請求，接收者在收到廣播數(shù)據(jù)之后可以發(fā)送掃描請求并獲得更多數(shù)據(jù)。如果后續(xù)需要建立點對點的連接，則可以使用“可連接非定向”廣播類型；此時廣播者在周期性廣播的同時會監(jiān)聽連接請求，接收者在收到廣播數(shù)據(jù)之后可以發(fā)送請求以建立連接。進一步地，如果發(fā)起者已知廣播者的地址（如通過掃描方式獲得），則可通過“可連接定向”廣播類型快速建立與廣播者之間的連接。

3 實驗與分析

如上文所述，BLE 具有四種不同廣播類型，具體又可分為“可連接”和“不可連接”兩種模式。當(dāng)BLE 設(shè)備僅用內(nèi)定位時，通常設(shè)置為“不可連接”模式即可，此時設(shè)備僅需定時發(fā)送通用唯一識別碼（Universally Unique Identifier，UUID）、媒體存取控制位址（Media Access Control Address，MAC）等基本數(shù) 據(jù)。然而，當(dāng)該BLE 設(shè)備需要同時用于其他點對點的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用時，則需要設(shè)置為“可連接模式”。本節(jié)對兩種不同連接模式下的BLE測距性能進行測試，進而比較和分析其對用戶定位精度的影響。

3.1 測距性能

為分析不同連接模式下的測距性能，對同一個BLE模塊分別設(shè)置為“可連接模式”與“不可連接模式”并進行數(shù)據(jù)廣播（模塊廣播頻率100 ms、發(fā)射功率-59 dBm），并通過APP 分別測量和采集兩種模式下的無線信號RSSI 值。其中，設(shè)備在可連接模式下的測量采集結(jié)果如圖3 所示，在不可連接模式下的測量采集結(jié)果如圖4所示。

從圖3 和圖4 可以看出，BLE模塊在可連接模式下的RSSI 測量值波動范圍在±10 dB 左右；相比之下，BLE模塊在不可連接模式下的RSSI 測量值波動范圍明顯減小至±4 dB 左右，減少了約60%，有效提高了測距穩(wěn)定度。

圖3 BLE模塊在可連接模式下的RSSI 測量值

圖4 BLE模塊在不可連接模式下的RSSI 測量值

值得指出的是，對于三邊交會定位而言，BLE模塊的絕對測距精度是十分重要的；但對于Fingerprinting 定位而言，由于并不關(guān)心BLE模塊與用戶之間的真實距離，而是更加重視RSSI Database 與用戶在線RSSI 測量值之間的匹配一致性，因此BLE模塊的測距穩(wěn)定度顯得更為重要。

3.2 定位精度

為進一步考察對定位精度的影響，在北京某大型寫字樓地下停車場內(nèi)布置了基于BLE 的室內(nèi)定位環(huán)境。其中，BLE模塊的安裝間距約3～5 m，地面位置指紋參考點的采樣步長為1 m，如圖5 所示。

圖5 某地下停車場BLE 室內(nèi)定位環(huán)境布設(shè)

在圖5 所示區(qū)域內(nèi)，先后將各BLE模塊分別設(shè)置為“可連接模式”和“不可連接模式”進行RSSI 位置指紋數(shù)據(jù)采樣，并使用裝有自研APP 軟件的智能手機，利用WKNN 算法進行Fingerprinting 在線定位（頻率1 Hz），所得到的定位結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同連接模式下的定位結(jié)果

從圖6 中可以看出，當(dāng)各BLE模塊設(shè)置為“不可連接模式”進行指紋數(shù)據(jù)采集和用戶在線定位時，系統(tǒng)能夠獲得明顯更優(yōu)的定位精度，用戶運動軌跡更加接近真實軌跡。統(tǒng)計可知，用戶在BLE“可連接模式”下的二維位置坐標(biāo)均方根誤差（RMS）為1.40 m，在BLE“不可連接模式”下的二維位置坐標(biāo)RMS 誤差為0.58 m。

4 結(jié)論

基于藍牙RSSI 測量的位置指紋定位是當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)中最常見的方法之一。本文研究發(fā)現(xiàn)，不同通信連接方式下的藍牙設(shè)備測距性能具有很大差異，進而會對系統(tǒng)最終定位性能造成顯著影響。針對這一關(guān)鍵問題，本文針對不同連接模式下的藍牙BLE 測距性能進行了測試和分析。在此基礎(chǔ)上，利用自行搭建的室內(nèi)定位環(huán)境開展實驗，驗證和分析了其對用戶實際定位精度的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)各BLE模塊設(shè)置為“不可連接模式”進行指紋數(shù)據(jù)采集和用戶在線定位時，系統(tǒng)能夠獲得明顯更優(yōu)的定位精度，是室內(nèi)藍牙定位的優(yōu)選通信連接方式。