評估可與社會隔離的可穿戴設備的技術

2021-03-01

遠離社會是緩解COVID-19的基石；它在降低病毒暴露和傳播風險方面繼續發揮著至關重要的作用。盡管世界衛生當局已確定6英尺（2米）是安全距離，但事實證明，設計設備以幫助消費者提高社交距離意識和警報能力是一項挑戰，因為其核心功能依賴于準確的低延遲距離測量。

在最近的合作中，Altran與半導體公司瑞薩電子（Renesas）合作開發了智能可穿戴設備/平臺，并基于超寬帶（UWB）技術為社交疏遠腕帶制作了原型。當在用戶指定的“安全”距離內檢測到第二個設備時，腕帶會提醒佩戴者。本文分享了該項目第一階段的見解：評估無線協議以滿足精確距離測量要求的過程，同時保持其他關鍵平臺要求（例如功率效率，尺寸和用戶體驗）達到平衡。

具有大量需求的小型設備

在該項目中，我們的目標是創建一個適用于利用瑞薩IC技術的可穿戴應用的嵌入式社交疏散平臺。作為概念驗證，還以小批量設計和制造了基于該平臺的腕帶原型，以在社交疏遠用例中演示其功能（監視和警報）和用戶體驗（圖1）。  

穿戴式設備的尺寸決定了對一種或多種無線技術的需求，而這些技術的選擇主要圍繞一些基本要求。

精確的距離測量–提供準確的警報，沒有虛假警報。到目前為止，對于我們的用例而言，選擇無線協議的最重要標準是其以能夠區分安全距離和不安全距離的準確度來測量距離的能力。測量精度也是消除（或大幅減少）因不精確的距離測量而引起的誤報數量的關鍵。接收到的警報可能等同于不安全間隔，也可能不等同于不安全間隔，這對于用戶解密真實威脅還是虛假威脅都具有挑戰性。

物理環境的影響。無線協議應受典型使用場景的物理環境的影響最小。換句話說，無論是在室內還是室外，視線（LOS）或非視線（NLOS）的情況下以及在動態環境（例如具有多種環境的環境）中使用，該設備都必須能夠提供準確且可重復的測量結果移動物體或更改LOS。

低延遲。為了有效，威脅檢測和用戶警報之間的響應時間必須足夠快，以使用戶有時間采取預防措施和/或采取必要的預防措施。

構成因素。在可穿戴設備中，無線技術必須輕巧小巧。

電源效率?？纱┐髟O備是電池供電的，但是對物體，人，信號等的檢測通常涉及傳感器，以其能效而聞名的組件。對于我們的用例，至關重要的是設計一種在所有操作模式下均具有出色功率效率的無線解決方案，以在兩次充電之間提供預期的電池壽命。

可擴展性。從定義上講，社交疏遠用例涉及多個人，常常是人群，因此無線解決方案必須能夠為多個同時目標提供可靠，準確的距離測量。

通常，每種無線技術都使用一些組合信號捕獲（使用基于時間的角度位置或接收信號的方法）和定位技術（使用三角測量或三邊測量方法）來支持距離和位置測量（圖2）。

圖2：典型的距離/位置測量技術。

評估無線技術

我們評估了幾種可商購的無線協議，以評估它們如何滿足我們對社交距離可穿戴設備的要求。我們的候選人包括Wi-Fi，蜂窩，低功耗藍牙（BLE）和超寬帶（UWB）。通常，每個已知的距離/位置精度規范都消除了許多協議（圖3），但是這里值得一提。

圖3.典型無線技術的距離測量精度。

無線上網

我們首先研究Wi-Fi，只是因為它無處不在。它在室內環境中的廣泛部署使其成為建筑物內社交距離遠的用例的有希望的解決方案，尤其是在機場，小巷和停車場或可能無法使用GPS和其他衛星技術或精度不高的地下位置等復雜結構中。

優點：由于Wi-Fi的廣泛采用和建立Wi-Fi網絡的便利性，可以以非常低的成本和精力快速部署解決方案以進行用戶定位。此外，隨著基于Wi-Fi的室內定位的最新發展，Wi-Fi可以提供可靠且更精確的定位服務（比舊的Wi-Fi技術更適合某些社交距離應用）。  

工作原理：在Wi-Fi系統中，需要無線傳輸器（稱為無線接入點（AP））傳輸無線電信號以與其覆蓋區域內的用戶設備進行通信。支持室內定位的最常見和最簡單的方法是，根據來自用戶設備的信號的接收信號強度指示器（RSSI），計算用戶的位置。RSSI精度在10米以上的范圍內，降低到1-3米左右。使用更新的Wi-Fi往返時間（RTT）技術的時間為75-85％。

簡介：隨著諸如RTT之類的Wi-Fi的最新發展，定位系統的準確性已大大提高，從而使其在許多室內定位應用中得到采用。但是，對于我們的社交距離用例而言，低至1米的距離精度仍然不足。此外，由于NLOS環境的影響，Wi-Fi可能在動態和復雜的室內環境中無效，在這種情況下，信號可能會被障礙陰影或人分散。

基于Wi-Fi的技術還主要用于室內和室內相鄰環境，因為它需要多個AP進行本地化，這可能無法在室內-室外環境中提供無縫過渡，或者在室外環境中不可行。Wi-Fi AP還需要額外的基礎架構，例如電源和元素保護，這使得它們的部署更加復雜。

藍牙

隨著室內和室外環境中支持藍牙的設備的爆炸性增長，我們也將BLE技術視為我們的解決方案。

優點： BLE用于短距離無線通信（2.4至2.485 GHz）；與Wi-Fi相比，其本地化技術具有多個優勢。BLE信號具有較高的采樣率（即0.25 Hz至2 Hz），從而提供了更多的數據來估計距離。BLE技術還具有更高的電源效率，因此更適合可穿戴設備。BLE信號可以從大多數智能設備中獲得，而Wi-Fi信號只能從AP中獲得。最后，BLE信標能夠由電池供電，因此比Wi-Fi接入點更靈活，更易于部署。

工作原理：在室內和室內相鄰（室外露臺，甲板等）環境中，基于藍牙的本地化被認為是一種實用的方法。室內定位方案通過使用三角測量機制和來自其他藍牙設備的數據來收集RSSI測量值，以檢測用戶的位置。

盡管基于BLE的室內定位可以比類似的Wi-Fi定位系統實現更好的性能，但BLE技術會受到快速衰落和干擾的強烈影響，從而在檢測其他設備時會導致距離精度較低。BLE廣告渠道，人員移動和障礙物也會嚴重影響準確性。提出的提高精確度的方法可將結果降低到2米。  

摘要：對于某些社交距離應用程序，藍牙技術沒有為我們的社交距離可穿戴設備提供距離測量的一致性和準確性。還探索了將藍牙和Wi-Fi技術相結合的方法，但這并沒有導致所需的準確性。

蜂窩電話

今天廣泛部署的蜂窩網絡基礎架構可用于幫助在室外環境中定位人員（或更準確地說，是啟用了SIM或E-SIM的活動智能設備）。盡管蜂窩連接在室內環境中可用，但對于我們的用例，它目前無法產生準確，可靠或足夠快的測量結果。在室內和室外環境中，社交距離都很重要，因此我們對蜂窩本地化的討論繼續集中在室外應用上。 

在過去的幾年中，我們看到了蜂窩技術的巨大技術發展，其中一些使其成為定位應用中的關鍵候選人。在當前的蜂窩網絡支持輔助GPS（A-GPS），增強型Cell ID（E-CID）和觀測到的到達時間距離（OTDOA）的情況下，蜂窩的定位精度得到了顯著提高。

優點：基于蜂窩的距離測量的最大優點之一是，它不需要額外的硬件基礎架構；它可以在現有網絡上運行。此外，全球大多數人至少擁有一個配備蜂窩功能的智能設備，因此部署僅需要一個移動應用程序和網絡中的一些數據處理能力。

工作原理：在室外環境中，蜂窩定位技術使用上述算法，即A-GPS，E-CID和OTDOA。在此，E-CID通過添加參考數據（例如RSS級別和RTT信息）來提高CID準確性，這些參考數據用于對三角測量和位置坐標進行三角測量。E-CID還能夠使用到達角（AoA）信息來提高整體精度。通過這些技術，當前基于LTE的蜂窩協議（3 / 4G）能夠在5至10米范圍內的室外環境中實現距離測量的準確性。如果您丟失了手機就足夠了，但是對于我們的用例來說不夠準確。

全球許多電信公司都在積極部署新的5G蜂窩網絡，而5G的性能特征使其成為下一代社交距離平臺的理想選擇。對我們的用例進行進一步的測試將證明這一點，但是鑒于5G部署的狀態，我們的項目并未考慮使用它。

5G包括mmWave通信，設備到設備（D2D）通信和超密集網絡（UDN）等關鍵技術，這些技術有助于其實現高精度定位的能力。利用mmWave通信的定位技術基于三角測量的驗證和到達角（ADOA）。仿真表明，在一個18 x 16 m的室內區域中，三角剖分驗證和ADOA方法可以分別達到85％和70％的概率達到亞米級精度[2]。通過實現卡爾曼濾波算法，可以進一步提高定位精度。   

下一代5G技術還將支持定向或線性陣列天線，這將有助于使基于蜂窩的定位技術也適用于室內應用。這里，AoA和到達時間（ToA）的基本原理用于位置測量。

簡介：適用于完全部署了蜂窩網絡基礎架構的室外環境，現有的3 / 4G蜂窩協議只能提供低至10米的距離精度，不適合我們的用例。盡管下一代的5G有望達到亞米級距離的精度（使用新技術可能會更低），但此時的部署范圍不足以使5G解決方案成為滿足我們需求的可行選擇。而且5G是否適合室內本地化還沒有經過測試。

超寬帶

與藍牙和Wi-Fi同類產品不同，UWB在3.1 GHz至10.6 GHz的寬GHz頻率范圍內運行。盡管UWB并未像其他協議那樣得到廣泛部署，但它具有一些獨特的屬性，使其成為我們的社會隔離項目以及未來室內定位用例的理想之選。  

優點：UWB可用于捕獲高度準確的空間和方向數據，并可以在短至中距離范圍內保持厘米級的測量精度。根據使用情況，UWB的測量精度可以達到5-10 cm的距離精度。由于其獨特的特性，例如高時域分辨率，多徑抗擾性，低成本實現，低功耗，良好的穿透性和寬帶UWB信號（FCC規定至少為500 MHz），脈沖無線UWB技術具有具有在時域中生成非常短時間的高斯脈沖的能力，與其他無線RF技術相比，這具有一些優勢。它的寬帶寬還使其相對更好地抵抗了其他通信技術中普遍存在的多徑傳播和窄帶干擾，

UWB在固體材料（例如墻壁和其他結構）中具有良好的滲透性，因此它可以在NLOS環境中更穩定地運行。作為我們小尺寸設計的主要優勢，由于數據傳輸速率 更高，UWB允許我們使用較小的天線，這是因為工作頻率提高了，而且RF 電路 更簡單。

工作原理：在UWB通信中，超短脈沖用于通信數據，這允許使用信號的持續時間或飛行時間（TOF）高精度估算雙向距離。頻譜密度越高，在多路徑環境中提供的魯棒性就越強，因此具有更精確的測距（距離測量）能力。

作為我們UWB評估的一部分，我們獲得了瑞薩電子（Renesas）提供的UWB低速率脈沖（LRP）芯片組。LRP的主要優勢是其功耗比其他標準UWB解決方案低10倍，因此非常適合我們的電池供電可穿戴設備。例如，在發射模式下，UWB高速率脈沖（HRP）的典型功耗范圍為100 – 120mA，其中UWB LRP通常消耗10-20mA?；?span>LRP標準的設備通常不用于距離測距應用，但是最新的標準IEEE 802.15.4z使它們能夠以超低功耗模式運行，同時使用我們在距離計算中使用的往返TOF機制來實現安全的測距功能。

在我們項目的第一階段，我們通常測量UWB LRP的距離精度在20-30 cm之內。對于清晰的LOS環境，接近20厘米；對于NLOS環境，更接近30厘米。在下一個項目階段，將進一步調整距離精度和可靠性，以使其更接近所需的10厘米。

與BLE和Wi-Fi相比，UWB可以在從Tx到Rx的短脈沖脈沖無線電中工作。結合其較寬的帶寬，由于不需要解碼或調制，因此將等待時間降低到了亞毫秒級。

摘要：基于對關鍵因素的評估，例如距離測量的準確性，可靠性，外形尺寸/大小，典型部署環境中的性能，等待時間，低功耗，可擴展性以及對干擾的降低的敏感性，我們得出結論，UWB LRP –在瑞薩電子（Renesas）的新芯片組–是用于社會測距項目的精確距離測量的最佳無線技術。

我們最終確定了結合使用BLE和UWB的社交疏散平臺（圖4）。這為我們提供了UWB的高精度距離測量和一致性的優勢，以及當在本地環境中感測設備時，BLE的效率始終保持接近檢測的優勢。在我們的應用程序中，BLE還支持將歷史警報數據和實際距離測量結果推送到移動應用程序。

圖4：最終的POC平臺結合使用BLE和UWB LRP，以實現最佳的電源利用率。

遠離社交的腕帶的明確選擇

遠離社交和戴口罩仍然是人類抵御COVID-19傳播以及通過接觸或空中傳播傳播的其他疾病的第一道防線。在該項目中，Altran和瑞薩電子聯手開發了一種嵌入式平臺，該平臺使用瑞薩MCU和UWB LRP芯片開發了一種用于社交疏散用例的平臺。盡管該項目包括腕帶原型的設計和（小批量）制造，但該平臺本身可以輕松進行調整，以實現社交距離（和聯系追蹤），以及許多其他基于室內和室外位置/位置的功能距離和位置精度至關重要的物聯網產品的類型和形狀因數。使用UWB LRP芯片的選擇進一步擴展了用例的范圍，以包括那些對功率效率至關重要的情況。