停车场寻车难？蓝牙5.1提供的新思路

编者按：本文来自微信公众号“曲奇泡芙”（ID: YummyCookiePuff）。

生活中我们常常有这样的体验，开车到了一个商场停车场停车之后，由于在忙其他的事情，常常导致“短暂性失忆”而忘记了车停在了哪里。对于不少缺乏“路感”的朋友，停车场对于他们来说是一个大迷宫，找车浪费个半小时是家常便饭的事情。

传统的通过车钥匙控制鸣笛的方式可以在较短距离寻车，车钥匙通过RFID的方式发送指令到车，信号较好的感应区间是在10多米左右（空旷场地可以稍远）。

进入智能网联汽车时代，为了给车主提供更好的便利性，避免人肉记住停车位的麻烦，越来越多的寻车方式被挖掘——懒惰是科技进步的驱动力。

一方面联网后的汽车可以将自己的GPS位置信息上传至云端，以便用户在手机APP上查看自己的车辆位置。另一方面，基于远程控制的鸣笛闪灯功能解除了车钥匙鸣笛在距离方面的局限性。

然而，基于卫星定位的GPS只适合车辆在室外的场景，到了封闭的室内停车场只能提供车辆的大致位置，误差可达数百米。而对于一些地下停车场，由于没有蜂窝网络信号的覆盖，远程鸣笛控制功能则可能处于失效状态。

现在也有部分大型的商场停车场安装上了基于摄像头的车辆位置识别方案。比如北京朝阳大悦城，微信关注商场公众号并绑定车牌信息，车辆在停车场停车后，停车场的摄像头识别到车牌信息便会给你的微信推送一条停车位置的信息，便于你稍后寻车。

在不依赖于停车场建设的通用寻车方案方面，部分智能行车记录仪产品提供了基于摄像头的远程实时查看功能方便寻车，然而这同样也较大依赖于蜂窝网络的信号覆盖。

蓝牙5标准的发布以及今年一月份新发布的蓝牙5.1标准，其中长距离模式（Long Range Mode）和测向功能（Direction Finding）等几个新特性，为寻车问题提供了一种新的解决思路。

蓝牙5技术在空旷场地的理论最大传播距离可达1公里左右，相对于4.0的版本有较大的提升。在蓝牙5之前，提高蓝牙传播距离的唯一办法是通过提高无线电波的传输电流，这对产品的电消会有较大的影响并不适用于有低功耗要求的产品。

蓝牙5相对之前的版本在低功耗模式下除了提供了2Mbps的高速模式，还引入了125kbps和500kbps的长距离模式，通过降低传输速率来提高传输距离，其中500kbps相对125kbps会有更高的电流消耗。

提高距离而不增加电耗的方式除了降低传输速率，另一个trick是使用误差校正。蓝牙5使用了一种FEC（Forward Error Correction）编码来做传输误差校正，使用冗余传输多余的数据位来帮助纠正损坏的数据位。举个例子，一种简单的FEC编码可以定义为当你要发送一个二进制数据"0"时，在链路上实际发送4倍的数据位比如“0000”，显然增加了位数会降低传输速率，但它提供了一种纠错的能力，当传输出现一个bit的数据损坏，对端收到“0010”时仍然可以大概率确定它传输的数据是“0”。在蓝牙5中实际使用的FEC编码为Hamming编码，如下图。

Nordic半导体使用nRF52840开发板对蓝牙5长距离的测试数据显示，对于使用1Mbps的PHY，无连接状态下（BLE广播）信号强度减小为0的距离为654.92米，对于使用长距离PHY@125Kbps，无连接模式下信号强度减小为0的距离为1300米。建立BLE连接后的测试结果相近。Silicon Labs的BGM13P模组规格标明配合长距离PHY使用最大可达600米的范围。

Gary Sims在应用层面使用同样的开发板在现实生活中做了个主观感受的测试，在如下图超过100米的一个场地上两端的蓝牙5开发板仍能成功建立连接进行数据传输。测试同时表明金属性质的建筑障碍物的对蓝牙的无线传输速率影响非常大。

蓝牙5.1标准中一个重要的特性是引入了AoA（Angle of Arrival，到达角）和AoD（Angle of Departure，出发角）测向方法。AoA是蓝牙接收器Rx测量蓝牙发送器Tx相对自己的角度，而AoD则是蓝牙发送器Tx测量自己相对于蓝牙接收器Rx的角度。先来看看效果，Silicon Labs的一个demo视频展示了AoA可以实现较高精度的方向测量。

AoA方法的基本原理在于蓝牙芯片开放蓝牙射频端的载波振幅和相位值收发（I/Q值），通过天线阵列来计算到达角度，事实上在AoA进入蓝牙5.1标准前已有芯片厂商研发产品支持该定位方法。如下图（来源：TI CC2640R2），Pt为发射器，接收器的两个天线同一时间接收到的信号相位不同（天线之间距离小于波长）。

假设相位差为Φ，天线之间距离为d，则按下图的几何关系可以换算出到达角θ=arcsin(λΦ/2πd)，其中λ为波长。

通过AoA方法，蓝牙接收器可以测算出发送器的方位信息，使用两个接收器同时进行AoA测向则可以测算出发送器的准确位置（两条射线交点），如下图（来源：TI CC2640R2）。实际应用场景中，由于噪音，障碍物反射及信号屏蔽的存在，AoA定位会遇到更多的挑战，通过增加天线来多点测算减少误差是一种常用的方法。另外使用二维的矩阵天线阵列或圆形的天线阵列可以测量出包含相对高度信息的三维空间角度。

结合蓝牙5的长距离模式和AoA定位，车联网手机应用可以为车主提供便捷的室内寻车和导航功能，提高用车体验。

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