Выбор Ultra-Wideband для точных носимых устройств социального дистанцирования

Социальное дистанцирование остаётся краеугольным камнем смягчения COVID-19, и точное, низколатентное измерение расстояния критично для любого носимого устройства, целящегося в оповещении пользователей при нарушении рекомендуемого 6-футового (2-метрового) буфера.

Altran партнерировала с лидером полупроводников Renesas для создания интеллектуальной платформы браслета, использующей технологию ultra-wideband (UWB). Эта статья детализирует первую фазу этого сотрудничества — оценку беспроводных протоколов для удовлетворения строгих требований точности, мощности, размера и пользовательского опыта.

Маленькое устройство с большим списком требований

Наша цель — спроектировать компактную платформу социального дистанцирования, которую можно построить вокруг IC Renesas. Прототип браслета малого объёма продемонстрировал основные функции — мониторинг, алерты и удобство использования (Рисунок 1).

Рисунок 1. Прототип браслета, оповещающий носителя, когда другое устройство находится в пользовательски-определённой безопасной дистанции. (Источник: Altran)

Носимый форм-фактор диктовал необходимость беспроводного решения, удовлетворяющего следующим критериям:

• Точное измерение расстояния — критично для надёжных алертов и устранения ложных срабатываний.
• Робастность к среде — должно работать в помещениях и на улице, в прямой видимости (LOS) и не-прямой (NLOS), и в динамичных настройках с движущимися объектами.
• Низкая задержка — алерты должны доставляться достаточно быстро для реакции носителя.
• Компактность — беспроводной стек должен помещаться в лёгкий браслет.
• Энергоэффективность — срок службы батареи должен оставаться приемлемым при непрерывном профиксировании близости.
• Масштабируемость — система должна справляться с множественными одновременными целями в толпе.

Все беспроводные технологии используют комбинацию захвата сигнала (время-базированный, угловой или принятой мощности сигнала) и техник позиционирования (триангуляцию или трилатерацию) для оценки расстояния или локации (Рисунок 2).

Рисунок 2: Типичная техника измерения расстояния/локации. (Источник: Altran)

Оценка беспроводных технологий

Мы изучили Wi-Fi, сотовую связь, Bluetooth Low Energy (BLE) и ultra-wideband (UWB). Опубликованные данные точности (Рисунок 3) исключили многие протоколы для нашего варианта использования, но каждый всё ещё предлагал заметные преимущества.

Рисунок 3. Точность измерения расстояния типичных беспроводных технологий. (Источник: Altran, используя опубликованные референсы [1])

Wi-Fi

Всеместность Wi-Fi и недавние улучшения round-trip time (RTT) делают его привлекательным для indoor позиционирования. Однако даже с RTT типичная RSSI-базированная точность достигает только 1–3 м в 75–85 % случаев и деградирует в NLOS или высокорефлективных средах. Wi-Fi также требует сеть точек доступа, ограничивая бесшовные indoor-outdoor переходы и добавляя инфраструктурную сложность.

BLE

BLE предлагает низкое потребление и лёгкое развёртывание через существующие умные устройства. Его более высокая частота сэмплирования улучшает оценку расстояния по сравнению с Wi-Fi, но быстрый fading, интерференция и человеческие препятствия всё ещё ограничивают точность примерно 2 м на практике. Один BLE не мог удовлетворить субметровую точность, требуемую для алертов социального дистанцирования.

Сотовая связь

Наружное позиционирование по сотовой (A-GPS, E-CID, OTDOA) доставляет 5–10 м точность с текущими 3G/4G сетями — недостаточно для нашей цели. 5G mmWave, device-to-device и ultra-dense networking обещают субметровую точность, но глобальное покрытие и indoor применимость остаются ограниченными на данный момент.

UWB

UWB работает в диапазоне 3,1–10,6 ГГц, доставляя сантиметровую точность расстояния через высокое временное разрешение и иммунитет к многолучевости. Её короткие импульсные сигналы дают субмиллисекундную задержку, а широкая полоса смягчает узкополосные интерференции. Важно, что высокая проникающая способность UWB позволяет надёжную NLOS производительность, а более высокая рабочая частота позволяет меньшие антенны — критично для браслета.

Renesas предоставила низкоскоростной импульсный (LRP) UWB чипсет, потребляющий 10–20 мА в режиме передачи против 100–120 мА для высокоскоростных решений. Используя IEEE 802.15.4z, LRP поддерживает безопасное round-trip time-of-flight рангинг, оставаясь ультра-низкопотребляющим. В фазе 1 мы достигли 20–30 см точности в LOS/NLOS средах, с дальнейшей настройкой, ожидаемой для достижения цели 10 см.

Комбинирование BLE и UWB позволило нам использовать точность UWB при обнаружении цели, в то время как BLE обрабатывал низкопотребляющее обнаружение близости и оффлоад данных в мобильное приложение.

Рисунок 4: Финальная proof-of-concept платформа, комбинирующая BLE и UWB LRP для оптимальной мощности и точности. (Источник: Altran)

Чёткий выбор для браслета социального дистанцирования

Altran и Renesas продемонстрировали, что UWB-базированная платформа доставляет точность, задержку и энергоэффективность, требуемые для надёжных носимых устройств социального дистанцирования. Архитектура масштабируется за рамки браслета к любому IoT форм-фактору, требующему точного indoor и outdoor позиционирования, делая её подходящей для контактного трейсинга, отслеживания активов и далее.

Ссылки

[1] Данные точности дистанции беспроводных протоколов:

• Wi-Fi
• BLE
• GNSS
• Сотовая
• UWB

[2] Результаты симуляции