Когда точность имеет значение:оценка технологий для социального дистанцирования носимых устройств

В этом проекте нашей целью было создание встроенной платформы социального дистанцирования, подходящей для носимых приложений, использующих технологии Renesas IC. В качестве доказательства концепции прототип браслета на основе этой платформы также был разработан и изготовлен небольшими партиями для демонстрации функциональности (мониторинг и оповещения) и взаимодействия с пользователем в случае использования социального дистанцирования (рис. 1).

Рис. 1. Прототип браслета предупреждает пользователя, когда второе устройство обнаруживается на безопасном расстоянии, заданном пользователем. (Источник:Альтран)

Форм-фактор носимого устройства диктовал потребность в одной или нескольких беспроводных технологиях, выбор которых основывался на нескольких основных требованиях.

• Точное измерение расстояния - для точных предупреждений и отсутствия ложных предупреждений. Безусловно, для нашего случая использования наиболее важным критерием выбора беспроводного протокола является его способность измерять расстояние с уровнем точности, позволяющим различать безопасные и небезопасные расстояния. Точность измерения также является ключом к устранению (или значительному сокращению) количества ложных предупреждений, вызванных неточным измерением расстояния. Получение предупреждений, которые могут или не могут приравниваться к небезопасному дистанцированию, затрудняет для пользователей расшифровку реальных и ложных угроз.
• Воздействие физической среды . На протокол беспроводной связи следует минимально влиять физическая среда в типичных сценариях использования. Другими словами, устройство должно обеспечивать точные и повторяемые измерения независимо от того, используется ли оно в помещении или на открытом воздухе, в условиях прямой видимости (LOS) или не в режиме LOS (NLOS), а также в динамических средах, таких как перемещение объектов или изменение LOS.
• Низкая задержка. Чтобы быть эффективным, время реакции между обнаружением угрозы и предупреждением пользователя должно быть достаточно быстрым, чтобы у пользователя было время для принятия превентивных мер и / или необходимых мер предосторожности.
• Форм-фактор . В носимом устройстве беспроводная технология должна быть легкой и компактной.
• Энергоэффективность . Носимые устройства работают от батарей, но для обнаружения объекта, человека, сигнала и т. Д. Обычно используются датчики, компоненты, не известные своей энергоэффективностью. Для нашего случая использования было крайне важно разработать беспроводное решение с исключительной энергоэффективностью во всех режимах работы, чтобы обеспечить ожидаемое время автономной работы без подзарядки.
• Масштабируемость . Сценарий использования социального дистанцирования по определению включает в себя множество людей и часто толпы, поэтому беспроводное решение должно обеспечивать надежное и точное измерение расстояния до нескольких одновременных целей.

В общем, каждая беспроводная технология поддерживает измерение расстояния и местоположения с использованием некоторой комбинации захвата сигнала (с использованием методов на основе времени, углового положения или принятого сигнала) и методов определения местоположения (с использованием методов триангуляции или трилатерации) (рисунок 2).

Рис. 2:Типичный метод измерения расстояния / местоположения. (Источник:Альтран)

Оценка беспроводных технологий

Мы оценили несколько коммерчески доступных беспроводных протоколов, чтобы оценить, насколько хорошо они соответствуют нашим требованиям к носимым устройствам для социального дистанцирования. Среди наших кандидатов были Wi-Fi, сотовая связь, Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE) и сверхширокополосный (UWB). В общем, известные характеристики точности расстояния / позиционирования для каждого из них устранили многие протоколы (рис. 3), но здесь есть достоинства, которые стоит отметить.

Рис. 3. Точность измерения расстояния для типичных беспроводных технологий. (Источник:Altran, на основе опубликованных ссылок [1])

Wi-Fi

Сначала мы рассмотрели Wi-Fi просто из-за его повсеместного распространения. Его широкое применение в помещениях сделало его многообещающим решением для случая использования социального дистанцирования внутри зданий, особенно в сложных структурах, таких как аэропорты, переулки и гаражи, или подземные места, где GPS и другие спутниковые технологии могут быть недоступны или обеспечивать низкую точность. .

Плюсы: Благодаря широкому распространению Wi-Fi и удобству настройки сетей Wi-Fi, решения для позиционирования пользователей могут быть быстро развернуты с очень низкими затратами и усилиями. Кроме того, благодаря недавним достижениям в области определения местоположения внутри помещений на основе Wi-Fi, Wi-Fi может предоставлять надежные и более точные услуги определения местоположения (по сравнению со старой технологией Wi-Fi), подходящие для некоторых приложений социального дистанцирования.

Как это работает: В системе Wi-Fi беспроводной передатчик, известный как точка беспроводного доступа (AP), необходим для передачи радиосигналов для связи с пользовательскими устройствами в своей зоне покрытия. Самый распространенный и простой способ поддержки позиционирования в помещении - это вычисление местоположения пользователя на основе индикатора мощности принятого сигнала (RSSI) сигналов от пользовательского устройства. Точность RSSI находится в диапазоне 10+ метров, снижена примерно до 1-3 метров. 75–85% времени при использовании новой технологии кругового обхода Wi-Fi (RTT).

Резюме: Благодаря текущим достижениям Wi-Fi, таким как RTT, точность систем локализации значительно улучшилась, что привело к их внедрению во многих приложениях для определения местоположения внутри помещений. Но точность измерения расстояния до 1 метра все еще недостаточна для нашего случая использования социального дистанцирования. Кроме того, Wi-Fi может быть неэффективным в динамичных и сложных помещениях из-за эффектов NLOS, когда сигналы могут рассеиваться тенями препятствий или людьми.

Технология на основе Wi-Fi также используется в основном для внутренних и смежных помещений, поскольку для локализации требуется несколько точек доступа, которые могут не обеспечивать плавные переходы в среде внутри помещения и на улице или быть осуществимыми на открытом воздухе. Точки доступа Wi-Fi также требуют дополнительной инфраструктуры, такой как питание и защита от элементов, что усложняет их развертывание.

BLE

В связи со стремительным ростом числа устройств с поддержкой Bluetooth как в помещениях, так и на открытом воздухе, мы также рассмотрели технологию BLE в качестве своего решения.

Плюсы: BLE используется для беспроводной связи на малых расстояниях (от 2,4 до 2,485 ГГц); и его технология локализации имеет несколько преимуществ по сравнению с Wi-Fi. Сигналы BLE имеют более высокую частоту дискретизации (т. Е. От 0,25 Гц до 2 Гц), что дает больше данных для оценки расстояния. Технология BLE также более энергоэффективна, поэтому больше подходит для носимых устройств. А сигналы BLE можно получить от большинства интеллектуальных устройств, а сигналы Wi-Fi можно получить только от точек доступа. Наконец, маячки BLE могут работать от батарей, поэтому они более гибкие и простые в развертывании, чем точки доступа Wi-Fi.

Как это работает: Локализация на основе Bluetooth считается практическим подходом в помещениях и прилегающих к ним помещениях (открытые террасы, террасы и т. Д.). Схемы локализации внутри помещений собирают измерения RSSI для определения местоположения пользователя с помощью механизма триангуляции с данными с других устройств Bluetooth.

Несмотря на то, что локализация в помещении на основе BLE может обеспечить лучшую производительность, чем аналогичные системы локализации Wi-Fi, на технологию BLE сильно влияют быстрое замирание и помехи, что приводит к низкой точности определения расстояния при обнаружении другого устройства. На точность также сильно влияют рекламные каналы BLE, движения людей и человеческие препятствия. Предложенные методы повышения точности позволили достичь результатов до 2 метров.

Резюме :Многообещающая для некоторых приложений социального дистанцирования, технология Bluetooth не обеспечивала единообразия и точности измерения расстояния для наших носимых устройств социального дистанцирования. Также было исследовано сочетание технологий Bluetooth и Wi-Fi, но это также не дало необходимой точности.

Сотовая связь

Инфраструктура сотовой сети, широко развертываемая сегодня, может использоваться для определения местонахождения человека (точнее, активного интеллектуального устройства с SIM- или E-SIM) на открытом воздухе. Хотя сотовая связь доступна внутри помещений, в настоящее время она не обеспечивает точных, надежных или достаточно быстрых измерений для нашего случая использования. Социальное дистанцирование актуально как в помещении, так и на улице, поэтому наше обсуждение локализации сотовой связи по-прежнему сосредоточено на применении вне помещений.

За последние несколько лет мы стали свидетелями огромного технологического роста сотовых технологий, некоторые из которых делают их ключевым кандидатом для использования в приложениях определения местоположения. С нынешними сотовыми сетями, поддерживающими GPS с поддержкой (A-GPS), улучшенный идентификатор соты (E-CID) и наблюдаемое время прибытия (OTDOA), точность определения местоположения сотовой связи значительно повысилась.

Плюсы : Одним из самых больших преимуществ измерения расстояний по сотовой сети является отсутствие необходимости в дополнительной аппаратной инфраструктуре; он может работать в существующих сетях. Кроме того, большая часть населения мира владеет по крайней мере одним интеллектуальным устройством с сотовой связью, поэтому для развертывания требуется только мобильное приложение и некоторая мощность обработки данных в сети.

Как это работает: На открытом воздухе методы сотовой локализации используют упомянутые выше алгоритмы, а именно A-GPS, E-CID и OTDOA. Здесь E-CID повышает точность CID, добавляя справочные данные, такие как уровни RSS и информацию RTT, которые используются для триангуляции и вычисления координат местоположения. E-CID также может использовать информацию об угле прихода (AoA) для повышения общей точности. Благодаря этим методам текущие сотовые протоколы на основе LTE (3 / 4G) способны обеспечивать точность измерения расстояния на открытом воздухе до диапазона 5-10 метров. Адекватно, если вы потеряете свой телефон, но недостаточно точно для нашего случая использования.

Многие операторы связи по всему миру активно развертывают новые сотовые сети 5G, а характеристики производительности 5G могут сделать его отличным кандидатом для платформ социального дистанцирования следующего поколения. Дальнейшее тестирование нашего варианта использования подтвердит это, но, учитывая состояние развертывания 5G, это не рассматривалось для нашего проекта.

5G включает в себя ключевые технологии, такие как связь mmWave, связь между устройствами (D2D) и сверхплотные сети (UDN), которые способствуют его способности обеспечивать высокоточную локализацию. Методы позиционирования, использующие связь mmWave, основаны на проверке триангуляционных измерений и углов разности приходов (ADOA). Моделирование показывает, что методы triangulate-validate и ADOA могут достигать субметровой точности с вероятностью 85% и 70% соответственно в помещении размером 18 x 16 м [2]. Точность локализации можно еще больше повысить за счет реализации алгоритмов фильтрации Калмана.

Технологии 5G следующего поколения также позволят использовать направленные или линейные антенные решетки, которые помогут сделать сотовые методы позиционирования жизнеспособными и для приложений внутри помещений. Здесь для измерения местоположения используются основные принципы AoA и времени прибытия (ToA).

Резюме: Подходящие для наружных сред, где инфраструктура сотовой сети полностью развернута, существующие протоколы сотовой связи 3 / 4G могут обеспечивать точность с точностью до 10 метров, что не подходит для нашего случая использования. В то время как будущие поколения 5G находятся на пути к достижению точности расстояния ниже метра - возможно, ниже с новыми технологиями - покрытия развертывания в настоящее время недостаточно, чтобы сделать решения 5G жизнеспособным выбором для наших нужд. А пригодность 5G для локализации внутри помещений до сих пор не проверена.

СШП

В отличие от своих аналогов Bluetooth и Wi-Fi, UWB работает в широком спектре частот ГГц, от 3,1 до 10,6 ГГц. Хотя UWB не так широко распространен, как другие протоколы, он обладает некоторыми уникальными свойствами, которые сделали его отличным кандидатом для нашего проекта по социальному дистанцированию, а также для будущих сценариев использования внутреннего позиционирования.

Плюсы: СШП может использоваться для сбора высокоточных пространственных и направленных данных и может поддерживать точность измерений на сантиметровом уровне на малых и средних расстояниях. Точность измерения СШП может достигать 5-10 см в зависимости от варианта использования. Благодаря своим уникальным характеристикам, таким как высокое разрешение во временной области, невосприимчивость к многолучевому распространению, низкая стоимость реализации, низкое энергопотребление, хорошее проникновение и широкополосные СШП-сигналы (не менее 500 МГц, как указано FCC), технология импульсной радиосвязи СШП имеет способность генерировать гауссовы импульсы очень короткой длительности во временной области, что дает некоторые преимущества по сравнению с другими беспроводными радиочастотными технологиями. Его широкая полоса пропускания также дает ему сравнительно лучшую невосприимчивость к многолучевому распространению и узкополосным помехам, преобладающим в других технологиях связи, поскольку эти типы помех влияют только на часть спектра.

UWB хорошо проникает в твердые материалы, такие как стены и другие конструкции, поэтому он может более стабильно работать в средах NLOS. Ключевым преимуществом нашей конструкции с малым форм-фактором стало то, что СШП позволил нам использовать антенны меньшего размера из-за увеличения рабочей частоты, а ВЧ-схема была проще, хотя скорость передачи данных выше.

Как это работает: В СШП-связи ультракороткие импульсы используются для передачи данных, что позволяет с высокой точностью оценивать двустороннее расстояние с использованием продолжительности или времени пролета (TOF) для сигналов. Чем выше спектральная плотность, тем выше надежность в условиях многолучевого распространения и, следовательно, более точные возможности измерения дальности (измерения расстояния).

В рамках нашей оценки UWB нам был предоставлен набор микросхем UWB low-rate pulse (LRP) от Renesas. Основное преимущество LRP - это в 10 раз меньшее энергопотребление по сравнению с другими стандартными решениями UWB, и, следовательно, он идеально подходил для наших носимых устройств с батарейным питанием. Например, в режиме передачи типичное энергопотребление для высокоскоростного импульса (HRP) UWB находится в диапазоне от 100 до 120 мА, тогда как UWB LRP обычно потребляет 10-20 мА. Устройства, основанные на стандарте LRP, обычно не используются для приложений определения дальности, но последний стандарт IEEE 802.15.4z позволяет им работать в режиме сверхнизкого энергопотребления, обеспечивая при этом возможности безопасного определения дальности с использованием механизмов TOF, которые мы использовали при расчетах расстояний.

На этом первом этапе нашего проекта мы обычно измеряли точность расстояния UWB LRP в пределах 20-30 см. Для условий без прямой видимости ближе 20 см; а для сред NLOS - ближе к 30 см. На следующем этапе проекта точность и надежность расстояния будут улучшены, чтобы приблизиться к необходимым 10 см.

По сравнению с BLE и Wi-Fi, UWB работает с короткими импульсами по радио от Tx до Rx. В сочетании с широкой полосой пропускания это снижает задержку до менее миллисекунд, поскольку не требуется декодирование или модуляция.

Резюме: Основываясь на оценке ключевых факторов, таких как точность измерения расстояния, надежность, форм-фактор / размер, производительность в типичной среде развертывания, задержка, низкое энергопотребление, масштабируемость и пониженная чувствительность к помехам, мы пришли к выводу, что UWB LRP - эффективно используется в новом Чипсет от Renesas - лучшая беспроводная технология для точного измерения расстояния в нашем проекте социального дистанцирования.

Мы доработали платформу социального дистанцирования, используя комбинацию BLE и UWB (рисунок 4). Это дало нам преимущества высокоточного измерения расстояния и согласованности UWB, а также энергоэффективность BLE для постоянного обнаружения приближения при обнаружении устройства в локальной среде. В нашем приложении BLE также поддерживает отправку исторических данных предупреждений и фактических измерений расстояния в мобильное приложение.

Рис. 4. Последняя платформа POC использует комбинацию BLE и UWB LRP для оптимального использования энергии. (Источник:Альтран)

Очевидный выбор для браслета социального дистанцирования