评估可(kě)与社会隔离的可(kě)穿戴设备的技术

2021-03-01

遠(yuǎn)离社会是缓解COVID-19的基石；它在降低病毒暴露和传播风险方面继续发挥着至关重要的作用(yòng)。尽管世界卫生当局已确定6英尺（2米）是安全距离，但事实证明，设计设备以帮助消费者提高社交距离意识和警报能(néng)力是一项挑战，因為(wèi)其核心功能(néng)依赖于准确的低延迟距离测量。

在最近的合作中，Altran与半导體(tǐ)公司瑞萨電(diàn)子（Renesas）合作开发了智能(néng)可(kě)穿戴设备/平台，并基于超宽带（UWB）技术為(wèi)社交疏遠(yuǎn)腕带制作了原型。当在用(yòng)户指定的“安全”距离内检测到第二个设备时，腕带会提醒佩戴者。本文(wén)分(fēn)享了该项目第一阶段的见解：评估无線(xiàn)协议以满足精确距离测量要求的过程，同时保持其他(tā)关键平台要求（例如功率效率，尺寸和用(yòng)户體(tǐ)验）达到平衡。

具有(yǒu)大量需求的小(xiǎo)型设备

在该项目中，我们的目标是创建一个适用(yòng)于利用(yòng)瑞萨IC技术的可(kě)穿戴应用(yòng)的嵌入式社交疏散平台。作為(wèi)概念验证，还以小(xiǎo)批量设计和制造了基于该平台的腕带原型，以在社交疏遠(yuǎn)用(yòng)例中演示其功能(néng)（监视和警报）和用(yòng)户體(tǐ)验（图1）。  

穿戴式设备的尺寸决定了对一种或多(duō)种无線(xiàn)技术的需求，而这些技术的选择主要围绕一些基本要求。

精确的距离测量–提供准确的警报，没有(yǒu)虚假警报。到目前為(wèi)止，对于我们的用(yòng)例而言，选择无線(xiàn)协议的最重要标准是其以能(néng)够區(qū)分(fēn)安全距离和不安全距离的准确度来测量距离的能(néng)力。测量精度也是消除（或大幅减少）因不精确的距离测量而引起的误报数量的关键。接收到的警报可(kě)能(néng)等同于不安全间隔，也可(kě)能(néng)不等同于不安全间隔，这对于用(yòng)户解密真实威胁还是虚假威胁都具有(yǒu)挑战性。

物(wù)理(lǐ)环境的影响。无線(xiàn)协议应受典型使用(yòng)场景的物(wù)理(lǐ)环境的影响最小(xiǎo)。换句话说，无论是在室内还是室外，视線(xiàn)（LOS）或非视線(xiàn)（NLOS）的情况下以及在动态环境（例如具有(yǒu)多(duō)种环境的环境）中使用(yòng)，该设备都必须能(néng)够提供准确且可(kě)重复的测量结果移动物(wù)體(tǐ)或更改LOS。

低延迟。為(wèi)了有(yǒu)效，威胁检测和用(yòng)户警报之间的响应时间必须足够快，以使用(yòng)户有(yǒu)时间采取预防措施和/或采取必要的预防措施。

构成因素。在可(kě)穿戴设备中，无線(xiàn)技术必须轻巧小(xiǎo)巧。

電(diàn)源效率。可(kě)穿戴设备是電(diàn)池供電(diàn)的，但是对物(wù)體(tǐ)，人，信号等的检测通常涉及传感器，以其能(néng)效而闻名的组件。对于我们的用(yòng)例，至关重要的是设计一种在所有(yǒu)操作模式下均具有(yǒu)出色功率效率的无線(xiàn)解决方案，以在两次充電(diàn)之间提供预期的電(diàn)池寿命。

可(kě)扩展性。从定义上讲，社交疏遠(yuǎn)用(yòng)例涉及多(duō)个人，常常是人群，因此无線(xiàn)解决方案必须能(néng)够為(wèi)多(duō)个同时目标提供可(kě)靠，准确的距离测量。

通常，每种无線(xiàn)技术都使用(yòng)一些组合信号捕获（使用(yòng)基于时间的角度位置或接收信号的方法）和定位技术（使用(yòng)三角测量或三边测量方法）来支持距离和位置测量（图2）。

图2：典型的距离/位置测量技术。

评估无線(xiàn)技术

我们评估了几种可(kě)商(shāng)購(gòu)的无線(xiàn)协议，以评估它们如何满足我们对社交距离可(kě)穿戴设备的要求。我们的候选人包括Wi-Fi，蜂窝，低功耗蓝牙（BLE）和超宽带（UWB）。通常，每个已知的距离/位置精度规范都消除了许多(duō)协议（图3），但是这里值得一提。

图3.典型无線(xiàn)技术的距离测量精度。

无線(xiàn)上网

我们首先研究Wi-Fi，只是因為(wèi)它无处不在。它在室内环境中的广泛部署使其成為(wèi)建筑物(wù)内社交距离遠(yuǎn)的用(yòng)例的有(yǒu)希望的解决方案，尤其是在机场，小(xiǎo)巷和停車(chē)场或可(kě)能(néng)无法使用(yòng)GPS和其他(tā)卫星技术或精度不高的地下位置等复杂结构中。

优点：由于Wi-Fi的广泛采用(yòng)和建立Wi-Fi网络的便利性，可(kě)以以非常低的成本和精力快速部署解决方案以进行用(yòng)户定位。此外，随着基于Wi-Fi的室内定位的最新(xīn)发展，Wi-Fi可(kě)以提供可(kě)靠且更精确的定位服務(wù)（比旧的Wi-Fi技术更适合某些社交距离应用(yòng)）。  

工作原理(lǐ)：在Wi-Fi系统中，需要无線(xiàn)传输器（称為(wèi)无線(xiàn)接入点（AP））传输无線(xiàn)電(diàn)信号以与其覆盖區(qū)域内的用(yòng)户设备进行通信。支持室内定位的最常见和最简单的方法是，根据来自用(yòng)户设备的信号的接收信号强度指示器（RSSI），计算用(yòng)户的位置。RSSI精度在10米以上的范围内，降低到1-3米左右。使用(yòng)更新(xīn)的Wi-Fi往返时间（RTT）技术的时间為(wèi)75-85％。

简介：随着诸如RTT之类的Wi-Fi的最新(xīn)发展，定位系统的准确性已大大提高，从而使其在许多(duō)室内定位应用(yòng)中得到采用(yòng)。但是，对于我们的社交距离用(yòng)例而言，低至1米的距离精度仍然不足。此外，由于NLOS环境的影响，Wi-Fi可(kě)能(néng)在动态和复杂的室内环境中无效，在这种情况下，信号可(kě)能(néng)会被障碍阴影或人分(fēn)散。

基于Wi-Fi的技术还主要用(yòng)于室内和室内相邻环境，因為(wèi)它需要多(duō)个AP进行本地化，这可(kě)能(néng)无法在室内-室外环境中提供无缝过渡，或者在室外环境中不可(kě)行。Wi-Fi AP还需要额外的基础架构，例如電(diàn)源和元素保护，这使得它们的部署更加复杂。

蓝牙

随着室内和室外环境中支持蓝牙的设备的爆炸性增長(cháng)，我们也将BLE技术视為(wèi)我们的解决方案。

优点： BLE用(yòng)于短距离无線(xiàn)通信（2.4至2.485 GHz）；与Wi-Fi相比，其本地化技术具有(yǒu)多(duō)个优势。BLE信号具有(yǒu)较高的采样率（即0.25 Hz至2 Hz），从而提供了更多(duō)的数据来估计距离。BLE技术还具有(yǒu)更高的電(diàn)源效率，因此更适合可(kě)穿戴设备。BLE信号可(kě)以从大多(duō)数智能(néng)设备中获得，而Wi-Fi信号只能(néng)从AP中获得。最后，BLE信标能(néng)够由電(diàn)池供電(diàn)，因此比Wi-Fi接入点更灵活，更易于部署。

工作原理(lǐ)：在室内和室内相邻（室外露台，甲板等）环境中，基于蓝牙的本地化被认為(wèi)是一种实用(yòng)的方法。室内定位方案通过使用(yòng)三角测量机制和来自其他(tā)蓝牙设备的数据来收集RSSI测量值，以检测用(yòng)户的位置。

尽管基于BLE的室内定位可(kě)以比类似的Wi-Fi定位系统实现更好的性能(néng)，但BLE技术会受到快速衰落和干扰的强烈影响，从而在检测其他(tā)设备时会导致距离精度较低。BLE广告渠道，人员移动和障碍物(wù)也会严重影响准确性。提出的提高精确度的方法可(kě)将结果降低到2米。  

摘要：对于某些社交距离应用(yòng)程序，蓝牙技术没有(yǒu)為(wèi)我们的社交距离可(kě)穿戴设备提供距离测量的一致性和准确性。还探索了将蓝牙和Wi-Fi技术相结合的方法，但这并没有(yǒu)导致所需的准确性。

蜂窝電(diàn)话

今天广泛部署的蜂窝网络基础架构可(kě)用(yòng)于帮助在室外环境中定位人员（或更准确地说，是启用(yòng)了SIM或E-SIM的活动智能(néng)设备）。尽管蜂窝连接在室内环境中可(kě)用(yòng)，但对于我们的用(yòng)例，它目前无法产生准确，可(kě)靠或足够快的测量结果。在室内和室外环境中，社交距离都很(hěn)重要，因此我们对蜂窝本地化的讨论继续集中在室外应用(yòng)上。 

在过去的几年中，我们看到了蜂窝技术的巨大技术发展，其中一些使其成為(wèi)定位应用(yòng)中的关键候选人。在当前的蜂窝网络支持辅助GPS（A-GPS），增强型Cell ID（E-CID）和观测到的到达时间距离（OTDOA）的情况下，蜂窝的定位精度得到了显着提高。

优点：基于蜂窝的距离测量的最大优点之一是，它不需要额外的硬件基础架构；它可(kě)以在现有(yǒu)网络上运行。此外，全球大多(duō)数人至少拥有(yǒu)一个配备蜂窝功能(néng)的智能(néng)设备，因此部署仅需要一个移动应用(yòng)程序和网络中的一些数据处理(lǐ)能(néng)力。

工作原理(lǐ)：在室外环境中，蜂窝定位技术使用(yòng)上述算法，即A-GPS，E-CID和OTDOA。在此，E-CID通过添加参考数据（例如RSS级别和RTT信息）来提高CID准确性，这些参考数据用(yòng)于对三角测量和位置坐(zuò)标进行三角测量。E-CID还能(néng)够使用(yòng)到达角（AoA）信息来提高整體(tǐ)精度。通过这些技术，当前基于LTE的蜂窝协议（3 / 4G）能(néng)够在5至10米范围内的室外环境中实现距离测量的准确性。如果您丢失了手机就足够了，但是对于我们的用(yòng)例来说不够准确。

全球许多(duō)電(diàn)信公司都在积极部署新(xīn)的5G蜂窝网络，而5G的性能(néng)特征使其成為(wèi)下一代社交距离平台的理(lǐ)想选择。对我们的用(yòng)例进行进一步的测试将证明这一点，但是鉴于5G部署的状态，我们的项目并未考虑使用(yòng)它。

5G包括mmWave通信，设备到设备（D2D）通信和超密集网络（UDN）等关键技术，这些技术有(yǒu)助于其实现高精度定位的能(néng)力。利用(yòng)mmWave通信的定位技术基于三角测量的验证和到达角（ADOA）。仿真表明，在一个18 x 16 m的室内區(qū)域中，三角剖分(fēn)验证和ADOA方法可(kě)以分(fēn)别达到85％和70％的概率达到亚米级精度[2]。通过实现卡尔曼滤波算法，可(kě)以进一步提高定位精度。   

下一代5G技术还将支持定向或線(xiàn)性阵列天線(xiàn)，这将有(yǒu)助于使基于蜂窝的定位技术也适用(yòng)于室内应用(yòng)。这里，AoA和到达时间（ToA）的基本原理(lǐ)用(yòng)于位置测量。

简介：适用(yòng)于完全部署了蜂窝网络基础架构的室外环境，现有(yǒu)的3 / 4G蜂窝协议只能(néng)提供低至10米的距离精度，不适合我们的用(yòng)例。尽管下一代的5G有(yǒu)望达到亚米级距离的精度（使用(yòng)新(xīn)技术可(kě)能(néng)会更低），但此时的部署范围不足以使5G解决方案成為(wèi)满足我们需求的可(kě)行选择。而且5G是否适合室内本地化还没有(yǒu)经过测试。

超宽带

与蓝牙和Wi-Fi同类产品不同，UWB在3.1 GHz至10.6 GHz的宽GHz频率范围内运行。尽管UWB并未像其他(tā)协议那样得到广泛部署，但它具有(yǒu)一些独特的属性，使其成為(wèi)我们的社会隔离项目以及未来室内定位用(yòng)例的理(lǐ)想之选。  

优点：UWB可(kě)用(yòng)于捕获高度准确的空间和方向数据，并可(kě)以在短至中距离范围内保持厘米级的测量精度。根据使用(yòng)情况，UWB的测量精度可(kě)以达到5-10 cm的距离精度。由于其独特的特性，例如高时域分(fēn)辨率，多(duō)径抗扰性，低成本实现，低功耗，良好的穿透性和宽带UWB信号（FCC规定至少為(wèi)500 MHz），脉冲无線(xiàn)UWB技术具有(yǒu)具有(yǒu)在时域中生成非常短时间的高斯脉冲的能(néng)力，与其他(tā)无線(xiàn)RF技术相比，这具有(yǒu)一些优势。它的宽带宽还使其相对更好地抵抗了其他(tā)通信技术中普遍存在的多(duō)径传播和窄带干扰，

UWB在固體(tǐ)材料（例如墙壁和其他(tā)结构）中具有(yǒu)良好的渗透性，因此它可(kě)以在NLOS环境中更稳定地运行。作為(wèi)我们小(xiǎo)尺寸设计的主要优势，由于数据传输速率 更高，UWB允许我们使用(yòng)较小(xiǎo)的天線(xiàn)，这是因為(wèi)工作频率提高了，而且RF 電(diàn)路 更简单。

工作原理(lǐ)：在UWB通信中，超短脉冲用(yòng)于通信数据，这允许使用(yòng)信号的持续时间或飞行时间（TOF）高精度估算双向距离。频谱密度越高，在多(duō)路径环境中提供的鲁棒性就越强，因此具有(yǒu)更精确的测距（距离测量）能(néng)力。

作為(wèi)我们UWB评估的一部分(fēn)，我们获得了瑞萨電(diàn)子（Renesas）提供的UWB低速率脉冲（LRP）芯片组。LRP的主要优势是其功耗比其他(tā)标准UWB解决方案低10倍，因此非常适合我们的電(diàn)池供電(diàn)可(kě)穿戴设备。例如，在发射模式下，UWB高速率脉冲（HRP）的典型功耗范围為(wèi)100 – 120mA，其中UWB LRP通常消耗10-20mA。基于LRP标准的设备通常不用(yòng)于距离测距应用(yòng)，但是最新(xīn)的标准IEEE 802.15.4z使它们能(néng)够以超低功耗模式运行，同时使用(yòng)我们在距离计算中使用(yòng)的往返TOF机制来实现安全的测距功能(néng)。

在我们项目的第一阶段，我们通常测量UWB LRP的距离精度在20-30 cm之内。对于清晰的LOS环境，接近20厘米；对于NLOS环境，更接近30厘米。在下一个项目阶段，将进一步调整距离精度和可(kě)靠性，以使其更接近所需的10厘米。

与BLE和Wi-Fi相比，UWB可(kě)以在从Tx到Rx的短脉冲脉冲无線(xiàn)電(diàn)中工作。结合其较宽的带宽，由于不需要解码或调制，因此将等待时间降低到了亚毫秒(miǎo)级。

摘要：基于对关键因素的评估，例如距离测量的准确性，可(kě)靠性，外形尺寸/大小(xiǎo)，典型部署环境中的性能(néng)，等待时间，低功耗，可(kě)扩展性以及对干扰的降低的敏感性，我们得出结论，UWB LRP –在瑞萨電(diàn)子（Renesas）的新(xīn)芯片组–是用(yòng)于社会测距项目的精确距离测量的最佳无線(xiàn)技术。

我们最终确定了结合使用(yòng)BLE和UWB的社交疏散平台（图4）。这為(wèi)我们提供了UWB的高精度距离测量和一致性的优势，以及当在本地环境中感测设备时，BLE的效率始终保持接近检测的优势。在我们的应用(yòng)程序中，BLE还支持将历史警报数据和实际距离测量结果推送到移动应用(yòng)程序。

图4：最终的POC平台结合使用(yòng)BLE和UWB LRP，以实现最佳的電(diàn)源利用(yòng)率。

遠(yuǎn)离社交的腕带的明确选择

遠(yuǎn)离社交和戴口罩仍然是人类抵御COVID-19传播以及通过接触或空中传播传播的其他(tā)疾病的第一道防線(xiàn)。在该项目中，Altran和瑞萨電(diàn)子联手开发了一种嵌入式平台，该平台使用(yòng)瑞萨MCU和UWB LRP芯片开发了一种用(yòng)于社交疏散用(yòng)例的平台。尽管该项目包括腕带原型的设计和（小(xiǎo)批量）制造，但该平台本身可(kě)以轻松进行调整，以实现社交距离（和联系追踪），以及许多(duō)其他(tā)基于室内和室外位置/位置的功能(néng)距离和位置精度至关重要的物(wù)联网产品的类型和形状因数。使用(yòng)UWB LRP芯片的选择进一步扩展了用(yòng)例的范围，以包括那些对功率效率至关重要的情况。