Ultra‑Wideband kiezen voor nauwkeurige sociale‑afstand‑wearables

Sociale distancing blijft een hoeksteen van COVID‑19‑mitigatie, en nauwkeurige, lage‑latentie afstandsmeting is essentieel voor elke wearable die gebruikers waarschuwt wanneer de aanbevolen 6‑voet (2‑meter) buffer overtreden wordt.

Altran partnerde met semiconduktor‑leider Renesas om een intelligent polsband‑platform te creëren dat ultra‑wideband (UWB)‑technologie benut. Dit artikel beschrijft de eerste fase van die collaboratie – het evalueren van draadloze protocollen om strikte nauwkeurigheids‑, stroom‑, grootte‑ en gebruikerservaringseisen te halen.

Een klein apparaat met een lange lijst van eisen

Ons doel was om een compact sociaal‑afstand‑platform te ontwerpen dat gebouwd kon worden rond Renesas' IC's. Een low‑volume polsband‑prototype demonstreerde kernfuncties – monitoring, alerts en usability (Figuur 1).

Figuur 1. Polsband‑prototype dat de drager alerteert wanneer een ander apparaat binnen een door de gebruiker opgegeven veilige afstand is. (Bron: Altran)

Een wearable‑vormfactor dicteerde de noodzaak voor een draadloze oplossing die aan de volgende criteria voldede:

• Nauwkeurige afstandsmeting – Essentieel voor betrouwbare alerts en om false positives te elimineren.
• Ro­bustheid tegen omgeving – Moet presteren indoor en outdoor, in line‑of‑sight (LOS) en non‑LOS (NLOS) condities, en in dynamische settings met bewegende objecten.
• Lage latentie – Alerts moeten snel genoeg geleverd worden voor de drager om te reageren.
• Compactheid – De draadloze stack moet passen in een lichtgewicht polsband.
• Stromefficiëntie – Batterijlevensduur moet acceptabel blijven tijdens continue nabijheids‑sensing.
• Schaalbaarheid – Het systeem moet meerdere simultane targets in menigten kunnen hanteren.

Alle draadloze technieken gebruiken een combinatie van signaal‑opname (tijd‑gebaseerd, hoek‑gebaseerd, of ontvangen signaalsterkte) en positioneringstechnieken (triangulatie of trilateratie) om afstand of locatie te schatten (Figuur 2).

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

Draadloze technologieën evalueren

We onderzochten Wi‑Fi, cellulair, Bluetooth Low Energy (BLE) en ultra‑wideband (UWB). Gepubliceerde nauwkeurigheidsdata (Figuur 3) elimineerde veel protocollen voor ons use case, maar elk bood nog steeds opmerkelijke voordelen.

Figuur 3. Afstandsmeet‑nauwkeurigheid van typische draadloze technieken. (Bron: Altran, gebruikmakend van gepubliceerde referenties [1])

Wi‑Fi

Wi‑Fi's alomtegenwoordigheid en recente round‑trip‑time (RTT) verbeteringen maken het aantrekkelijk voor indoor‑positionering. Toch bereikt zelfs met RTT typische RSSI‑gebaseerde nauwkeurigheid slechts 1–3 m in 75–85 % van de tijd en degradeert in NLOS of sterk reflecterende omgevingen. Wi‑Fi vereist ook een netwerk van access points, wat naadloze indoor‑naar‑outdoor‑overgangen beperkt en infrastructuurcomplexiteit toevoegt.

BLE

BLE biedt laag stroomverbruik en eenvoudige implementatie via bestaande slimme apparaten. De hogere sample‑rate verbetert afstandsschatting vergeleken met Wi‑Fi, maar snelle fading, interferentie en menselijke obstakels beperken de praktische nauwkeurigheid tot ongeveer 2 m. BLE alleen kon de sub‑meter‑precisie vereist voor sociale‑afstand‑alerts niet halen.

Cellulair

Outdoor cellulair positioneren (A‑GPS, E‑CID, OTDOA) levert 5–10 m nauwkeurigheid met huidige 3G/4G netwerken – onvoldoende voor ons doel. 5G's mmWave, device‑to‑device en ultra‑dense networking beloven sub‑meter‑nauwkeurigheid, doch globale dekking en indoor‑toepasbaarheid blijven momenteel beperkt.

UWB

UWB opereert over 3,1–10,6 GHz, leverende centimeter‑niveau afstandsnauwkeurigheid door hoge‑tijd‑domein‑resolutie en immuniteit tegen multipath. De korte‑impuls‑signalen bieden sub‑milliseconden latentie, en de brede bandbreedte mitigeert narrow‑band‑interferentie. Belangrijk is dat UWB's hoge doorlatendheid betrouwbare NLOS‑prestaties toestaat, en de hogere werkende frequentie kleinere antennes mogelijk maakt – cruciaal voor een polsband.

Renesas leverde een low‑rate‑puls (LRP) UWB‑chipset dat 10–20 mA in transmit‑modus verbruikt versus 100–120 mA voor high‑rate‑oplossingen. Door gebruik te maken van IEEE 802.15.4z, ondersteunt de LRP veilige, round‑trip time‑of‑flight‑ranging terwijl het ultra‑laag‑vermogen blijft. In fase 1 bereikten we 20–30 cm nauwkeurigheid in LOS/NLOS‑omgevingen, met verdere tuning verwacht om het 10‑cm‑doel te halen.

Het combineren van BLE en UWB stelde ons in staat UWB's precisie te benutten wanneer een target gedetecteerd wordt, terwijl BEE low‑power nabijheidsdetectie en data‑offloading naar de mobiele app hanteerde.

Figuur 4: Finale proof‑of‑concept platform combinant BLE en UWB LRP voor optimale stroom en nauwkeurigheid. (Bron: Altran)

Een duidelijke keuze voor een sociale‑afstand‑polsband

Altran en Renesas toonden aan dat een UWB‑gebaseerd platform de nauwkeurigheid, latentie en stromefficiëntie levert die vereist zijn voor betrouwbare sociale‑afstand‑wearables. De architectuur schaalt verder dan een polsband naar elk IoT‑vormfactor dat nauwkeurige indoor‑ en outdoor‑positionering vereist, wat het geschikt maakt voor contact‑tracing, asset‑tracking en verder.

Referenties

[1] Draadloos‑protocol afstandsnauwkeurigheidsdata:

• Wi‑Fi
• BLE
• GNSS
• Cellulair
• UWB

[2] Simulatieresultaten