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評估可與社會隔離的可穿戴設(shè)備的技術(shù)
遠(yuǎn)離社會是緩解COVID-19的基石；它在降低病毒暴露和傳播風(fēng)險方面繼續(xù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。盡管世界衛(wèi)生當(dāng)局已確定6英尺（2米）是安全距離，但事實證明，設(shè)計設(shè)備以幫助消費(fèi)者提高社交距離意識和警報能力是一項挑戰(zhàn)，因為其核心功能依賴于準(zhǔn)確的低延遲距離測量。
在最近的合作中，Altran與半導(dǎo)體公司瑞薩電子（Renesas）合作開發(fā)了智能可穿戴設(shè)備/平臺，并基于超寬帶（UWB）技術(shù)為社交疏遠(yuǎn)腕帶制作了原型。當(dāng)在用戶指定的“安全”距離內(nèi)檢測到第二個設(shè)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(xié)議以滿足精確距離測量要求的過程，同時保持其他關(guān)鍵平臺要求（例如功率效率，尺寸和用戶體驗）達(dá)到平衡。
具有大量需求的小型設(shè)備
在該項目中，我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個適用于利用瑞薩IC技術(shù)的可穿戴應(yīng)用的嵌入式社交疏散平臺。作為概念驗證，還以小批量設(shè)計和制造了基于該平臺的腕帶原型，以在社交疏遠(yuǎn)用例中演示其功能（監(jiān)視和警報）和用戶體驗（圖1）。
穿戴式設(shè)備的尺寸決定了對一種或多種無線技術(shù)的需求，而這些技術(shù)的選擇主要圍繞一些基本要求。
精確的距離測量–提供準(zhǔn)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(xié)議的最重要標(biāo)準(zhǔn)是其以能夠區(qū)分安全距離和不安全距離的準(zhǔn)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(shù)量的關(guān)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(zhàn)性。
物理環(huán)境的影響。無線協(xié)議應(yīng)受典型使用場景的物理環(huán)境的影響最小。換句話說，無論是在室內(nèi)還是室外，視線（LOS）或非視線（NLOS）的情況下以及在動態(tài)環(huán)境（例如具有多種環(huán)境的環(huán)境）中使用，該設(shè)備都必須能夠提供準(zhǔn)確且可重復(fù)的測量結(jié)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(yīng)時間必須足夠快，以使用戶有時間采取預(yù)防措施和/或采取必要的預(yù)防措施。
構(gòu)成因素。在可穿戴設(shè)備中，無線技術(shù)必須輕巧小巧。
電源效率?？纱┐髟O(shè)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(guān)重要的是設(shè)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(yù)期的電池壽命。
可擴(kuò)展性。從定義上講，社交疏遠(yuǎn)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(biāo)提供可靠，準(zhǔn)確的距離測量。
通常，每種無線技術(shù)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(shù)（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(shù)。
評估無線技術(shù)
我們評估了幾種可商購的無線協(xié)議，以評估它們?nèi)绾螡M足我們對社交距離可穿戴設(shè)備的要求。我們的候選人包括Wi-Fi，蜂窩，低功耗藍(lán)牙（BLE）和超寬帶（UWB）。通常，每個已知的距離/位置精度規(guī)范都消除了許多協(xié)議（圖3），但是這里值得一提。
圖3.典型無線技術(shù)的距離測量精度。
無線上網(wǎng)
我們首先研究Wi-Fi，只是因為它無處不在。它在室內(nèi)環(huán)境中的廣泛部署使其成為建筑物內(nèi)社交距離遠(yuǎn)的用例的有希望的解決方案，尤其是在機(jī)場，小巷和停車場或可能無法使用GPS和其他衛(wèi)星技術(shù)或精度不高的地下位置等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中。
優(yōu)點(diǎn)：由于Wi-Fi的廣泛采用和建立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行用戶定位。此外，隨著基于Wi-Fi的室內(nèi)定位的最新發(fā)展，Wi-Fi可以提供可靠且更精確的定位服務(wù)（比舊的Wi-Fi技術(shù)更適合某些社交距離應(yīng)用）。
工作原理：在Wi-Fi系統(tǒng)中，需要無線傳輸器（稱為無線接入點(diǎn)（AP））傳輸無線電信號以與其覆蓋區(qū)域內(nèi)的用戶設(shè)備進(jìn)行通信。支持室內(nèi)定位的最常見和最簡單的方法是，根據(jù)來自用戶設(shè)備的信號的接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI），計算用戶的位置。RSSI精度在10米以上的范圍內(nèi)，降低到1-3米左右。使用更新的Wi-Fi往返時間（RTT）技術(shù)的時間為75-85％。
簡介：隨著諸如RTT之類的Wi-Fi的最新發(fā)展，定位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性已大大提高，從而使其在許多室內(nèi)定位應(yīng)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(huán)境的影響，Wi-Fi可能在動態(tài)和復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)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(shù)還主要用于室內(nèi)和室內(nèi)相鄰環(huán)境，因為它需要多個AP進(jìn)行本地化，這可能無法在室內(nèi)-室外環(huán)境中提供無縫過渡，或者在室外環(huán)境中不可行。Wi-Fi AP還需要額外的基礎(chǔ)架構(gòu)，例如電源和元素保護(hù)，這使得它們的部署更加復(fù)雜。
藍(lán)牙
隨著室內(nèi)和室外環(huán)境中支持藍(lán)牙的設(shè)備的爆炸性增長，我們也將BLE技術(shù)視為我們的解決方案。
優(yōu)點(diǎn)： 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(shù)具有多個優(yōu)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(shù)據(jù)來估計距離。BLE技術(shù)還具有更高的電源效率，因此更適合可穿戴設(shè)備。BLE信號可以從大多數(shù)智能設(shè)備中獲得，而Wi-Fi信號只能從AP中獲得。最后，BLE信標(biāo)能夠由電池供電，因此比Wi-Fi接入點(diǎn)更靈活，更易于部署。
工作原理：在室內(nèi)和室內(nèi)相鄰（室外露臺，甲板等）環(huán)境中，基于藍(lán)牙的本地化被認(rèn)為是一種實用的方法。室內(nèi)定位方案通過使用三角測量機(jī)制和來自其他藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)來收集RSSI測量值，以檢測用戶的位置。
盡管基于BLE的室內(nèi)定位可以比類似的Wi-Fi定位系統(tǒng)實現(xiàn)更好的性能，但BLE技術(shù)會受到快速衰落和干擾的強(qiáng)烈影響，從而在檢測其他設(shè)備時會導(dǎo)致距離精度較低。BLE廣告渠道，人員移動和障礙物也會嚴(yán)重影響準(zhǔn)確性。提出的提高精確度的方法可將結(jié)果降低到2米。
摘要：對于某些社交距離應(yīng)用程序，藍(lán)牙技術(shù)沒有為我們的社交距離可穿戴設(shè)備提供距離測量的一致性和準(zhǔn)確性。還探索了將藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合的方法，但這并沒有導(dǎo)致所需的準(zhǔn)確性。
蜂窩電話
今天廣泛部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)可用于幫助在室外環(huán)境中定位人員（或更準(zhǔn)確地說，是啟用了SIM或E-SIM的活動智能設(shè)備）。盡管蜂窩連接在室內(nèi)環(huán)境中可用，但對于我們的用例，它目前無法產(chǎn)生準(zhǔn)確，可靠或足夠快的測量結(jié)果。在室內(nèi)和室外環(huán)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(xù)集中在室外應(yīng)用上。
在過去的幾年中，我們看到了蜂窩技術(shù)的巨大技術(shù)發(fā)展，其中一些使其成為定位應(yīng)用中的關(guān)鍵候選人。在當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持輔助GPS（A-GPS），增強(qiáng)型Cell ID（E-CID）和觀測到的到達(dá)時間距離（OTDOA）的情況下，蜂窩的定位精度得到了顯著提高。
優(yōu)點(diǎn)：基于蜂窩的距離測量的最大優(yōu)點(diǎn)之一是，它不需要額外的硬件基礎(chǔ)架構(gòu)；它可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。此外，全球大多數(shù)人至少擁有一個配備蜂窩功能的智能設(shè)備，因此部署僅需要一個移動應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)中的一些數(shù)據(jù)處理能力。
工作原理：在室外環(huán)境中，蜂窩定位技術(shù)使用上述算法，即A-GPS，E-CID和OTDOA。在此，E-CID通過添加參考數(shù)據(jù)（例如RSS級別和RTT信息）來提高CID準(zhǔn)確性，這些參考數(shù)據(jù)用于對三角測量和位置坐標(biāo)進(jìn)行三角測量。E-CID還能夠使用到達(dá)角（AoA）信息來提高整體精度。通過這些技術(shù)，當(dāng)前基于LTE的蜂窩協(xié)議（3 / 4G）能夠在5至10米范圍內(nèi)的室外環(huán)境中實現(xiàn)距離測量的準(zhǔn)確性。如果您丟失了手機(jī)就足夠了，但是對于我們的用例來說不夠準(zhǔn)確。
全球許多電信公司都在積極部署新的5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)行進(jìn)一步的測試將證明這一點(diǎn)，但是鑒于5G部署的狀態(tài)，我們的項目并未考慮使用它。
5G包括mmWave通信，設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信和超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）等關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)有助于其實現(xiàn)高精度定位的能力。利用mmWave通信的定位技術(shù)基于三角測量的驗證和到達(dá)角（ADOA）。仿真表明，在一個18 x 16 m的室內(nèi)區(qū)域中，三角剖分驗證和ADOA方法可以分別達(dá)到85％和70％的概率達(dá)到亞米級精度[2]。通過實現(xiàn)卡爾曼濾波算法，可以進(jìn)一步提高定位精度。
下一代5G技術(shù)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(shù)也適用于室內(nèi)應(yīng)用。這里，AoA和到達(dá)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的室外環(huán)境，現(xiàn)有的3 / 4G蜂窩協(xié)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(dá)到亞米級距離的精度（使用新技術(shù)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(nèi)本地化還沒有經(jīng)過測試。
超寬帶
與藍(lán)牙和Wi-Fi同類產(chǎn)品不同，UWB在3.1 GHz至10.6 GHz的寬GHz頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。盡管UWB并未像其他協(xié)議那樣得到廣泛部署，但它具有一些獨(dú)特的屬性，使其成為我們的社會隔離項目以及未來室內(nèi)定位用例的理想之選。
優(yōu)點(diǎn)：UWB可用于捕獲高度準(zhǔn)確的空間和方向數(shù)據(jù)，并可以在短至中距離范圍內(nèi)保持厘米級的測量精度。根據(jù)使用情況，UWB的測量精度可以達(dá)到5-10 cm的距離精度。由于其獨(dú)特的特性，例如高時域分辨率，多徑抗擾性，低成本實現(xiàn)，低功耗，良好的穿透性和寬帶UWB信號（FCC規(guī)定至少為500 MHz），脈沖無線UWB技術(shù)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(shù)相比，這具有一些優(yōu)勢。它的寬帶寬還使其相對更好地抵抗了其他通信技術(shù)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(jié)構(gòu)）中具有良好的滲透性，因此它可以在NLOS環(huán)境中更穩(wěn)定地運(yùn)行。作為我們小尺寸設(shè)計的主要優(yōu)勢，由于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，這允許使用信號的持續(xù)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(huán)境中提供的魯棒性就越強(qiáng)，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(yōu)勢是其功耗比其他標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備。例如，在發(fā)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備通常不用于距離測距應(yīng)用，但是最新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4z使它們能夠以超低功耗模式運(yùn)行，同時使用我們在距離計算中使用的往返TOF機(jī)制來實現(xiàn)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(nèi)。對于清晰的LOS環(huán)境，接近20厘米；對于NLOS環(huán)境，更接近30厘米。在下一個項目階段，將進(jìn)一步調(diào)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(jié)合其較寬的帶寬，由于不需要解碼或調(diào)制，因此將等待時間降低到了亞毫秒級。
摘要：基于對關(guān)鍵因素的評估，例如距離測量的準(zhǔn)確性，可靠性，外形尺寸/大小，典型部署環(huán)境中的性能，等待時間，低功耗，可擴(kuò)展性以及對干擾的降低的敏感性，我們得出結(jié)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(shù)。
我們最終確定了結(jié)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(yōu)勢，以及當(dāng)在本地環(huán)境中感測設(shè)備時，BLE的效率始終保持接近檢測的優(yōu)勢。在我們的應(yīng)用程序中，BLE還支持將歷史警報數(shù)據(jù)和實際距離測量結(jié)果推送到移動應(yīng)用程序。
圖4：最終的POC平臺結(jié)合使用BLE和UWB LRP，以實現(xiàn)最佳的電源利用率。
遠(yuǎn)離社交的腕帶的明確選擇
遠(yuǎn)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(lián)手開發(fā)了一種嵌入式平臺，該平臺使用瑞薩MCU和UWB LRP芯片開發(fā)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(shè)計和（小批量）制造，但該平臺本身可以輕松進(jìn)行調(diào)整，以實現(xiàn)社交距離（和聯(lián)系追蹤），以及許多其他基于室內(nèi)和室外位置/位置的功能距離和位置精度至關(guān)重要的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的類型和形狀因數(shù)。使用UWB LRP芯片的選擇進(jìn)一步擴(kuò)展了用例的范圍，以包括那些對功率效率至關(guān)重要的情況。