Als nauwkeurigheid belangrijk is:technologieën beoordelen voor een wearable met sociale afstand

In dit project was ons doel om een ​​ingebed platform voor sociale afstand te creëren dat geschikt is voor draagbare toepassingen die gebruikmaken van Renesas IC-technologieën. Als proof of concept werd ook een prototype van een polsbandje op basis van dit platform ontworpen en geproduceerd in een laag volume om de functionaliteit (monitoring en waarschuwingen) en gebruikerservaring te demonstreren in een gebruikscasus van sociale afstand (Figuur 1).

Figuur 1. Een prototype van een polsbandje waarschuwt de drager wanneer een tweede apparaat wordt gedetecteerd binnen een door de gebruiker gespecificeerde veilige afstand. (Bron:Altran)

Een draagbare vormfactor dicteerde de behoefte aan een of meer draadloze technologieën, waarvan de keuze gebaseerd was op een paar basisvereisten.

• Nauwkeurige afstandsmeting – voor nauwkeurige waarschuwingen en geen valse waarschuwingen. Verreweg, voor onze use case, is het belangrijkste criterium voor het kiezen van een draadloos protocol het vermogen om afstand te meten met een nauwkeurigheidsniveau dat in staat is onderscheid te maken tussen veilige en onveilige afstanden. Meetnauwkeurigheid is ook de sleutel tot het elimineren (of sterk verminderen) van het aantal valse waarschuwingen veroorzaakt door onnauwkeurige afstandsmetingen. Het ontvangen van waarschuwingen die al dan niet gelijk staan ​​aan onveilige afstand nemen, maakt het voor gebruikers een uitdaging om echte versus valse bedreigingen te ontcijferen.
• De impact van de fysieke omgeving. Het draadloze protocol moet minimaal worden beïnvloed door de fysieke omgeving van typische gebruiksscenario's. Met andere woorden, het apparaat moet in staat zijn nauwkeurige en herhaalbare metingen te leveren, of het nu binnen of buiten wordt gebruikt, in line of sight (LOS) of niet-LOS (NLOS) situaties, en in dynamische omgevingen, zoals die met veel objecten verplaatsen of LOS wijzigen.
• Lage latentie. Om effectief te zijn, moet de reactietijd tussen bedreigingsdetectie en gebruikerswaarschuwing snel genoeg zijn zodat de gebruiker tijd heeft om preventieve actie te ondernemen en/of de nodige voorzorgsmaatregelen te nemen.
• Vormfactor. In een draagbaar apparaat moet draadloze technologie licht en klein zijn.
• Energie-efficiëntie. Wearables werken op batterijen, maar detectie - van een object, een persoon, een signaal, enz. - omvat meestal sensoren, componenten die niet bekend staan ​​om hun energie-efficiëntie. Voor onze use case was het van cruciaal belang om een ​​draadloze oplossing te ontwerpen met uitzonderlijke energie-efficiëntie, in alle bedrijfsmodi, om de verwachte levensduur van de batterij tussen oplaadbeurten te leveren.
• Schaalbaarheid. Bij een use-case voor sociale afstand zijn per definitie meerdere mensen en vaak menigten betrokken, dus de draadloze oplossing moet betrouwbare en nauwkeurige afstandsmeting kunnen bieden voor meerdere gelijktijdige doelen.

Over het algemeen ondersteunt elke draadloze technologie afstands- en locatiemeting met behulp van een combinatie van signaalopname (met op tijd gebaseerde, hoekpositie of ontvangen signaalmethoden) en positioneringstechnieken (met behulp van triangulatie- of trilateratiemethoden) (Figuur 2).

Figuur 2:Typische afstand/locatie meettechniek. (Bron:Altran)

Evaluatie van draadloze technologieën

We hebben verschillende in de handel verkrijgbare draadloze protocollen geëvalueerd om te beoordelen hoe goed ze konden voldoen aan onze vereisten voor een draagbare draagbare afstandsmeter. Onze kandidaten waren onder meer wifi, mobiel, Bluetooth Low Energy (BLE) en ultrabreedband (UWB). Over het algemeen elimineerden de bekende afstands-/positionele nauwkeurigheidsspecificaties van elk veel protocollen (Figuur 3), maar er zijn hier verdiensten die het vermelden waard zijn.

Figuur 3. Nauwkeurigheid van afstandsmetingen van typische draadloze technologieën. (Bron:Altran, met behulp van gepubliceerde referenties [1])

Wi-Fi

We hebben eerst naar wifi gekeken, simpelweg vanwege de alomtegenwoordigheid ervan. De brede toepassing in binnenomgevingen maakte het een veelbelovende oplossing voor het gebruik van sociale afstand in gebouwen, met name in complexe structuren zoals luchthavens, steegjes en parkeergarages, of ondergrondse locaties waar GPS en andere satelliettechnologieën mogelijk niet beschikbaar zijn of een lage nauwkeurigheid bieden .

Pluspunten: Vanwege de wijdverbreide acceptatie van Wi-Fi en het gemak van het opzetten van Wi-Fi-netwerken, konden oplossingen snel worden geïmplementeerd voor gebruikerspositionering met zeer lage kosten en moeite. Met de recente ontwikkelingen in op wifi gebaseerde positionering binnenshuis, kan wifi bovendien betrouwbare en nauwkeurigere locatieservices bieden (dan oudere wifi-technologie) die geschikt zijn voor sommige toepassingen voor sociale afstand.

Hoe het werkt: In een Wi-Fi-systeem is een draadloze zender, bekend als een draadloos toegangspunt (AP), vereist om radiosignalen te verzenden om te communiceren met gebruikersapparaten in het dekkingsgebied. De meest gebruikelijke en gemakkelijkste manier om positionering binnenshuis te ondersteunen, is door de locatie van de gebruiker te berekenen op basis van de ontvangen signaalsterkte-indicator (RSSI) van signalen van het gebruikersapparaat. De RSSI-nauwkeurigheid ligt in het bereik van 10+ meter, teruggebracht tot ongeveer 1-3 meter. 75-85% van de tijd bij gebruik van nieuwere Wi-Fi round-trip time (RTT)-technologie.

Samenvatting: Met de huidige ontwikkelingen van Wi-Fi, zoals RTT, is de nauwkeurigheid van lokalisatiesystemen aanzienlijk verbeterd, wat heeft geleid tot de acceptatie ervan voor veel indoor positioneringstoepassingen. Maar afstandsnauwkeurigheid tot op 1 meter is nog steeds onvoldoende voor ons gebruik van social distancing. Bovendien is wifi mogelijk niet effectief in dynamische en gecompliceerde binnenomgevingen vanwege de effecten van NLOS-omgevingen, waar signalen kunnen worden verstrooid door schaduwen van obstakels of mensen.

Wi-Fi-gebaseerde technologie wordt ook voornamelijk gebruikt voor binnen- en binnen-aangrenzende omgevingen, aangezien het meerdere AP's vereist voor lokalisatie die mogelijk geen naadloze overgangen bieden in binnen-buitenomgevingen of haalbaar zijn in buitenomgevingen. Wi-Fi-toegangspunten vereisen ook extra infrastructuur, zoals stroomvoorziening en bescherming tegen de elementen, waardoor ze moeilijker te implementeren zijn.

BLE

Met de explosieve groei van Bluetooth-apparaten in zowel binnen- als buitenomgevingen, hebben we ook BLE-technologie overwogen voor onze oplossing.

Pluspunten: BLE wordt gebruikt voor draadloze communicatie op korte afstand (2,4 tot 2,485 GHz); en de lokalisatietechnologie heeft verschillende voordelen in vergelijking met wifi. BLE-signalen hebben een hogere samplefrequentie (d.w.z. 0,25 Hz tot 2 Hz), wat meer gegevens oplevert om de afstand te schatten. BLE-technologie is ook energiezuiniger, dus meer geschikt voor draagbare apparaten. En BLE-signalen kunnen worden verkregen van de meeste slimme apparaten, terwijl wifi-signalen alleen van AP's kunnen worden verkregen. Ten slotte kunnen BLE-beacons op batterijen werken en zijn ze dus flexibeler en gemakkelijker te implementeren dan wifi-toegangspunten.

Hoe het werkt: Op Bluetooth gebaseerde lokalisatie wordt beschouwd als een praktische benadering in binnen- en binnen-aangrenzende omgevingen (buitenterrassen, terrassen, enz.). Lokalisatieschema's voor binnenshuis verzamelen RSSI-metingen om de locatie van de gebruiker te detecteren door het triangulatiemechanisme te gebruiken met gegevens van andere Bluetooth-apparaten.

Hoewel op BLE gebaseerde binnenlokalisatie betere prestaties kan leveren dan vergelijkbare Wi-Fi-lokalisatiesystemen, wordt BLE-technologie sterk beïnvloed door snelle vervaging en interferentie, wat leidt tot een lage afstandsnauwkeurigheid bij het detecteren van een ander apparaat. Nauwkeurigheid wordt ook sterk beïnvloed door BLE-advertentiekanalen, menselijke bewegingen en menselijke obstakels. Methoden die zijn voorgesteld om de nauwkeurigheid te verbeteren, hebben resultaten opgeleverd tot op 2 meter.

Samenvatting :Veelbelovend voor sommige social distancing-toepassingen, bood Bluetooth-technologie niet de consistentie en nauwkeurigheid van afstandsmeting voor onze social distancing wearable. Het combineren van Bluetooth- en Wi-Fi-technologieën werd ook onderzocht, maar ook dit leverde niet de benodigde nauwkeurigheid op.

Mobiel

De mobiele netwerkinfrastructuur die tegenwoordig op grote schaal wordt ingezet, kan worden gebruikt om een ​​persoon (of beter gezegd, een actieve SIM- of E-SIM-enabled smart device) te lokaliseren in een buitenomgeving. Hoewel mobiele connectiviteit beschikbaar is in binnenomgevingen, produceert het momenteel geen nauwkeurige, betrouwbare of snel genoeg metingen voor ons gebruik. Social distancing is relevant in zowel binnen- als buitenomgevingen, dus onze discussie over mobiele lokalisatie blijft gericht op buitentoepassingen.

In de afgelopen jaren hebben we een enorme technologische groei gezien in cellulaire technologie, waarvan sommige het een belangrijke kandidaat maken voor gebruik in toepassingen voor locatiebepaling. Met de huidige mobiele netwerken die geassisteerde GPS (A-GPS), verbeterde cel-ID (E-CID) en waargenomen tijdsafstand van aankomst (OTDOA) ondersteunen, is de locatienauwkeurigheid van mobiele telefoons aanzienlijk verbeterd.

Pluspunten : Een van de grootste voordelen van mobiele afstandsmeting is dat er geen extra hardware-infrastructuur voor nodig is; het kan werken op bestaande netwerken. Bovendien bezit het grootste deel van de wereldbevolking ten minste één mobiel uitgerust smart device, dus de implementatie vereist alleen een mobiele app en enige gegevensverwerkingscapaciteit in het netwerk.

Hoe het werkt: In buitenomgevingen gebruiken cellulaire lokalisatietechnieken de hierboven genoemde algoritmen, namelijk A-GPS, E-CID en OTDOA. Hier verbetert E-CID de CID-nauwkeurigheid door referentiegegevens toe te voegen, zoals RSS-niveaus en RTT-informatie die wordt gebruikt om locatiecoördinaten te trianguleren en te berekenen. E-CID kan ook informatie over aankomsthoek (AoA) gebruiken om de algehele nauwkeurigheid te verbeteren. Door deze technieken zijn de huidige LTE-gebaseerde cellulaire protocollen (3/4G) in staat om afstandsmetingen in buitenomgevingen tot op een bereik van 5-10 meter nauwkeurig te houden. Geschikt als u uw telefoon verliest, maar niet nauwkeurig genoeg voor ons gebruik.

Veel telco's over de hele wereld implementeren actief nieuwe 5G-cellulaire netwerken, en 5G heeft prestatiekenmerken die het een uitstekende kandidaat kunnen maken voor sociale afstandsplatforms van de volgende generatie. Verdere tests voor onze use case zullen dit bevestigen, maar gezien de stand van de 5G-implementatie werd dit niet overwogen voor ons project.

5G omvat sleuteltechnologieën zoals mmWave-communicatie, device-to-device (D2D)-communicatie en ultra-dense networks (UDN's), die bijdragen aan de capaciteit voor zeer nauwkeurige lokalisatie. Positioneringstechnieken die gebruikmaken van de mmWave-communicatie zijn gebaseerd op validatie van triangulatiemetingen en hoek van verschillen van aankomst (ADOA). Simulaties tonen aan dat trianguleren-valideren en ADOA-methoden een nauwkeurigheid van minder dan een meter kunnen bereiken met een waarschijnlijkheid van respectievelijk 85% en 70% in een binnenruimte van 18 x 16 m [2]. De nauwkeurigheid van de lokalisatie kan verder worden verbeterd door Kalman-filteralgoritmen te implementeren.

De 5G-technologieën van de volgende generatie zullen ook directionele of lineaire array-antennes mogelijk maken, waardoor op cellulaire gebaseerde positioneringstechnieken ook haalbaar zijn voor binnentoepassingen. Hier worden de basisprincipes van AoA en aankomsttijd (ToA) gebruikt voor locatiemeting.

Samenvatting: Geschikt voor buitenomgevingen waar de mobiele netwerkinfrastructuur volledig is geïmplementeerd, kunnen bestaande 3/4G mobiele protocollen slechts een nauwkeurigheid van 10 meter afstand leveren, ongeschikt voor onze use case. Hoewel toekomstige generaties van 5G op schema liggen om een ​​nauwkeurigheid van minder dan een meter te bereiken - mogelijk lager met nieuwe technieken - is de implementatiedekking op dit moment niet voldoende om 5G-oplossingen een haalbare keuze te maken voor onze behoefte. En de geschiktheid van 5G voor lokalisatie binnenshuis is nog steeds niet getest.

UWB

In tegenstelling tot zijn Bluetooth- en Wi-Fi-tegenhangers, werkt UWB op een breed spectrum van GHz-frequenties, van 3,1 tot 10,6 GHz. Hoewel UWB niet zo wijdverbreid wordt ingezet als de andere protocollen, heeft het een aantal unieke eigenschappen die het een uitstekende kandidaat maakten voor ons sociale afstandsproject en voor toekomstige gebruiksscenario's voor indoor positionering.

Pluspunten: UWB kan worden gebruikt om zeer nauwkeurige ruimtelijke en directionele gegevens vast te leggen en kan de meetnauwkeurigheid op centimeterniveau handhaven op korte tot middellange afstanden. UWB-meetnauwkeurigheid is in staat tot afstandsnauwkeurigheid tot 5-10 cm, afhankelijk van de gebruikssituatie. Vanwege zijn unieke eigenschappen zoals hoge tijddomeinresolutie, immuniteit van multipath, goedkope implementatie, laag stroomverbruik, goede penetratie en UWB-signalen met brede bandbreedte (minstens 500 MHz zoals gespecificeerd door FCC), heeft de impulsradio UWB-technologie de mogelijkheid om Gauss-pulsen van zeer korte duur te genereren in het tijdsdomein, wat enkele voordelen biedt in vergelijking met andere draadloze RF-technologieën. De brede bandbreedte geeft het ook een relatief betere immuniteit voor multipath-propagatie en smalbandinterferenties die veel voorkomen in andere communicatietechnologieën, aangezien dit soort interferenties slechts een deel van het spectrum aantasten.

UWB heeft een goede penetratie in vaste materialen, zoals muren en andere constructies, zodat het consistenter kan presteren in NLOS-omgevingen. En een belangrijk voordeel van ons ontwerp met kleine vormfactor, UWB stelde ons in staat om kleinere antennes te gebruiken vanwege de hogere werkfrequentie en het RF-circuit was eenvoudiger, ook al zijn de gegevensoverdrachtsnelheden hoger.

Hoe het werkt: Bij UWB-communicatie worden ultrakorte pulsen gebruikt om de gegevens te communiceren, wat een zeer nauwkeurige schatting van een tweerichtingsafstand mogelijk maakt met behulp van de duur of vluchttijd (TOF) voor de signalen. Hoe hoger de spectrale dichtheid, hoe robuuster in multi-path-omgevingen en dus nauwkeuriger bereik (afstandsmeting).

Als onderdeel van onze UWB-evaluatie kregen we een UWB low-rate pulse (LRP) chipset van Renesas. Het belangrijkste voordeel van LRP is een tot 10 keer lager energieverbruik dan andere standaard UWB-oplossingen, en was daarom ideaal voor onze op batterijen werkende wearable. In de zendmodus varieert het typische stroomverbruik voor UWB high-rate pulse (HRP) bijvoorbeeld van 100 - 120 mA, terwijl UWB LRP doorgaans 10-20 mA trekt. Op LRP-standaard gebaseerde apparaten worden normaal gesproken niet gebruikt voor afstandsbereiktoepassingen, maar de nieuwste standaard IEEE 802.15.4z stelt ze in staat om te werken in een modus met ultralaag stroomverbruik, terwijl veilige bereikmogelijkheden mogelijk zijn met behulp van round-trip TOF-mechanismen die we gebruikten bij afstandsberekeningen.

In deze eerste fase van ons project hebben we de afstandsnauwkeurigheid van UWB LRP doorgaans binnen 20-30 cm gemeten. Voor heldere LOS-omgevingen, dichter bij 20 cm; en voor NLOS-omgevingen, dichter bij 30 cm. In de volgende projectfase zullen zowel de afstandsnauwkeurigheid als de betrouwbaarheid verder worden afgestemd om dichter bij de benodigde 10 cm te komen.

In vergelijking met BLE en Wi-Fi werkt UWB op korte-burst-impulsradio van Tx naar Rx. In combinatie met de brede bandbreedte reduceert dit de latentie tot sub-ms omdat er geen decodering of modulatie nodig is.

Samenvatting: Op basis van een evaluatie van belangrijke factoren zoals nauwkeurigheid van afstandsmeting, betrouwbaarheid, vormfactor/grootte, prestaties in de typische implementatieomgeving, latentie, laag stroomverbruik, schaalbaarheid en verminderde gevoeligheid voor interferentie, hebben we geconcludeerd dat UWB LRP – benut in de nieuwe chipset van Renesas - was de beste draadloze technologie voor nauwkeurige afstandsmeting van ons project voor sociale afstand.

We hebben het social distancing-platform voltooid door zowel BLE als UWB in combinatie te gebruiken (Figuur 4). Dit gaf ons de voordelen van UWB's zeer nauwkeurige afstandsmeting en consistentie, evenals de energie-efficiëntie van BLE voor altijd-aan nabijheidsdetectie bij het detecteren van een apparaat in de lokale omgeving. In onze applicatie ondersteunt BLE ook het pushen van historische waarschuwingsgegevens en werkelijke afstandsmetingen naar een mobiele app.

Figuur 4:Het uiteindelijke POC-platform gebruikt een combinatie van BLE en UWB LRP voor optimaal stroomgebruik. (Bron:Altran)

Een duidelijke keuze voor een social distancing-polsband