蓝牙通道探测：蓝牙创新的下一飞跃

什么是通道探测？

蓝牙低功耗（LE）已被应用于全球数十亿电子设备中，包括手机、笔记本电脑、游戏手柄和车载娱乐系统。2024年9月，蓝牙特别兴趣小组（SIG）宣布了一项突破性功能，名为蓝牙通道探测，旨在提高距离测量的准确性和安全性，这是蓝牙核心规范6.0发布的一部分。

许多应用，包括资产和物体追踪、地理围栏、智能门锁、远程无钥匙进入和仓库管理，都需要短距离无线距离测量（测距）。通道探测（Channel Sounding）前称为高精度距离测量，它依赖两种经过验证的测距方法，测量两个蓝牙LE连接设备之间的距离，以达到±20厘米（7.87英寸）的理论距离，达到150米（492.13英尺）。可达的距离和精度取决于信号质量（信噪比，SNR），这取决于发射功率、环境条件以及用于估算相位测距（PBR）测量或往返时间（RTT）测量距离的信号处理算法。所用天线数量有助于提高良好信噪比的概率。通道探测使用PBR和RTT来实现其准确性和安全性。虽然这两种能力都是符合规范所必需的，但应用可以根据系统需求和具体用例需求，选择使用任一或两者都用于距离估算。

PBR

通道探测用于计算两个成对蓝牙设备之间的距离。在两设备配置中，一台作为“启动器”，另一台作为“反射器”。使用PBR方法，起始器向反射器发送正弦波信号，反射器再返回该信号。该交换跨多个频率进行。设备之间的最终距离通过分析发射信号与接收信号的相位差确定（见图1）。

RTT

利用RTT估算两个被指定为起始器和反射器的蓝牙设备之间的距离，在概念上非常简单。信号包从发起器到反射器的飞行时间（ToFI-R）并返回发起者（ToFR-I）提供了距离计算的基础。鉴于电子信号以光速（c）传播，即已知常数，可用以下公式推导两设备之间的距离：

C × （ToFI-R + ToFR-I） ÷ 2

记住，ToF是一种空中计时方法。实际上，设备A和设备B的设置时间（即空中传输前所需）应考虑，以确保准确结果。

蓝牙技术在2.4 GHz频段使用40个频道，每个频道间距2 MHz。相比之下，信道探音支持最多72个信道，间距为1 MHz，提供了显著更宽的作带宽。这种扩展的通道集在提升测量精度和系统鲁棒性方面发挥着关键作用，尤其是在反射面和多径传播的环境中。通过利用更广泛的狭窄间距通道池，通道探测可以更好地捕捉通道特性，减少干扰影响，并提高距离估计和定位的可靠性。这使得它在现实环境中的蓝牙部署尤其有价值，因为障碍物和反射频发。

通道探测安全

两种常见的网络攻击技术是伪装和中间人（MITM）攻击。在伪造中，恶意行为者伪造数字身份冒充可信设备，欺骗用户获得访问权限或泄露敏感信息。中间人攻击涉及攻击者秘密部署在两个通信设备之间，拦截并可能修改数据交换。一旦嵌入系统，攻击者便可控通信或泄露数据以实现恶意目的。

当PBR和RTT同时使用蓝牙信道探测时，能显著提升安全性。由于这两种测距方法依赖于根本不同的物理原理，攻击者很难同时攻破两者同时保持连贯通信。这种分层的方法使协调伪装和中间人攻击变得复杂。

通道探测应用

硅谷实验室产品市场经理Aashish Chaddha表示：“通道探测支持多种应用类型，包括被动进入被动启动（PEPS）、自动映射和室内测距。”“例如，在多接入点（AP）网络中，发射功率必须根据每个接入点与邻居的距离进行调整。通道探测允许AP通过中央协调员指定一个AP作为发起者，与其他AP一起测距，从而确定它们的相对位置。对所有AP重复此过程，可以生成其布局的几何地图，优化电源控制和空间感知。”

蓝牙信道探测为近距离应用提供了高安全性的测距解决方案。其可靠的距离估计和抗欺骗能力使其成为传统信号强度方法不足的场景。这里有两个插图。

安全车门

在传统的中继攻击中，一名攻击者会靠近车辆所有者，拦截车主智能手机或钥匙扣发出的认证信号。同伙随后通过独立通信通道将这些信号转发给车辆，使得未经授权的访问无需持有原始设备即可进入。

通道探测为抵御这一威胁提供了有力的防御手段。通过结合PBR和RTT测量方法的先进信号验证，通道探测引入了极难同时被破坏的防护措施。这种分层验证确保未经授权的解锁尝试不成功，维护车辆访问系统的安全性和可靠性。

仓库应用：精准的室内位置

在仓库、医院及类似设施中，跟踪工具和设备的准确位置对于保持运营效率至关重要。蓝牙通道探测实现了精准的室内定位，显著减少了人工搜索浪费的时间，简化了工作流程。在地震或大规模交通事故等紧急情况下，医院急诊室常常不堪重负，救命设备可能被调往各科室。在这种情况下，掌握关键设备的精确位置变得非常紧迫，从而加快响应速度和更高效的护理服务。

设计示例

大型商业或工业建筑中的设备通常需要多个网络接入点以保持稳定的互联网连接。建立此类系统可能耗时，包含多个关键步骤：进行现场勘测以生成信号强度热图、优化AP的布置和配置，以及持续微调性能以减轻信号衰减和干扰。这种表现并非一成不变;环境变化如家具重新摆放，或新干扰源的引入（如新安装的微波设备）可能干扰它。

这里是一个设计四接入点建立流程的示例，利用通道探测的室内测距功能持续优化性能。如图5所示，医疗机构内搭建了四个网络接入点：行政办公室的AP0，工作人员使用的AP1，医生办公室的AP2，连接MRI设备的AP3。

管理AP时设计考虑的一个因素是它们之间的距离以及通信所需的功率。如果AP靠近放置，降低发射功率有助于减少干扰并提升整体网络稳定性。通道探测能够准确确定设备间距离，实现智能系统优化。通过评估设备分离和部署密度决策，可以动态调整发射功率。

中央协调者选择一台AP（如AP0）作为发起者，其余AP则作为反射器。发起方随后对其他AP执行距离作。该过程对系统中的每个接入点重复，最终生成几何图（见图5），显示网络中所有接入点的相对位置，使蓝牙应用能够优化通信所需的功率。

在这个例子中，系统中的每个AP都集成了一个信道探测系统单芯片（SoC），如硅实验室的BG24或BG24L，这些设备既可以作为起始器，也可以作为反射器工作。在初步设计阶段，使用配备双天线通道探测模块的开发套件进行评估是有利的，如图7所示。这些预验证的开发套件有助于消除开发过程中常见的许多反复试验步骤。设计最终确定后，SoC可以嵌入更紧凑的形态中，适合AP硬件。为了进一步简化开发流程并加快部署，Silicon Labs 还为开发套件提供软件支持。

“开发者在使用蓝牙信道探测时有不同的设计需求：有些应用需要更多的计算和内存来执行复杂的测距计算，而另一些则需要简单且响应灵敏的节点，能够参与过程而无需承担繁重工作，”硅谷实验室的蓝牙产品经理甘苏·纳塔拉詹表示。针脚兼容的BG24和BG24L为开发者提供了灵活性。BG24非常适合作为通道探测的发起者，支持最高256 kB SRAM和1536 kB闪存，非常适合更耗内存的算法。另一方面，BG24L非常适合反射器角色，如资产标签或基于接近的访问设备，节点只需可靠高效响应，无需自行进行测距计算。”

展望

蓝牙通道探测技术带来了蓝牙LE技术的重大突破。许多应用，如安全跟踪、仓库内的精确室内定位、智能门锁和地理围栏，通过在RSSI和AoA/AoD基础上加入通道探测，通过更高的准确性和安全性，受益于这一创新。设计示例为开发者提供了一步步的方法，帮助他们创建支持蓝牙通道探测的设备。未来几年，我们将看到全球蓝牙生态系统的扩展，包括蓝牙通道探测。

蓝牙SIG技术营销总监达蒙·巴恩斯表示：“蓝牙技术的市场需求将继续增长。”据ABI研究公司称，蓝牙设备出货量预计将从2025年的53亿台增加到2029年的77亿台，复合年增长率为9%。在蓝牙SIG，我们预计蓝牙通道探测技术将在整体市场增长中发挥重要作用。”

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