准确性事项时:评估社会疏松的技术

社会疏远是Covid-19缓解的基石;它继续在降低病毒暴露和传播的风险方面发挥至关重要的作用。虽然世界卫生当局已建立6英尺(2米)是一个安全的距离,但是为帮助消费者提供社会距离意识和警报的设计设备已被证明是具有挑战性的,因为它们的核心功能依赖于准确,低延迟距离测量。

在最近的协作中,Altran与半导体公司瑞萨一起使用,开发智能可穿戴设备/平台,并基于超宽带(UWB)技术原型进行社会疏远腕带。当在用户指定的“安全”距离内检测到第二设备时,腕带警告佩戴者。本文与该项目之一的阶段共享见解:评估无线协议以满足准确距离测量要求的过程,同时保持其他关键平台要求,例如功率效率,大小和用户体验,平衡。

具有大型要求列表的小型设备

在这个项目中,我们的目标是创建一个嵌入式社交偏移平台,适用于利用瑞萨IC技术的可穿戴应用程序。作为概念证明,基于该平台的基于该平台的腕带原型也以低卷设计和制造,以演示社交疏散用例中的功能(监控和警报)和用户体验(图1)。


图1.当在用户指定的安全距离内检测到第二个设备时,腕带原型警告佩戴者。 (来源:Altran)

可穿戴形式因素决定了对一个或多个无线技术的需求,可以选择围绕少数基本要求。

  • 准确测量 - 用于准确的警报,没有误报警。 到目前为止,对于我们的用例,选择无线协议的最重要标准是其能够测量具有能够区分安全和不安全距离之间的精度水平的距离。测量精度也是消除(或严重减少)由不精确距离测量引起的误报的数量的关键。接收可能或可能不等于不安全的偏移的警报使用户可以解密真实与虚假威胁的挑战。
  • 物理环境的影响。 无线协议应通过典型使用方案的物理环境来最小地影响。换句话说,该设备需要能够提供准确和可重复的测量,无论是使用室内还是室外,在视线(LOS)或非LOS(NLOS)情况下以及在动态环境中,例如具有许多人移动物体或更改LOS。
  • 低延迟。 为了有效,威胁检测和用户警报之间的响应时间必须足够快,用户有时间采取预防措施和/或所需的预防措施。
  • 构成因素。 在可穿戴设备中,无线技术必须轻轻且小。
  • 电源效率。 可穿戴设备是电池供电,但是dEatection - 对象,一个人,信号等 - 通常涉及传感器,所以不知道其功率效率的组件。对于我们的用例,在所有操作模式下,设计具有特殊功率效率的无线解决方案至关重要,以提供收费之间的预期电池寿命。
  • 可扩展性。 根据定义,社会疏散用例涉及多个人,通常是人群,因此无线解决方案必须能够为多个同时目标提供可靠和准确的距离测量。

通常,每个无线技术支持使用某种组合信号捕获(使用时间基,角位置或接收信号方法)和定位技术(使用三角测量或三边形方法)(图2)的距离和位置测量。


图2:典型距离/位置测量技术。 (来源:Altran)

评估无线技术

我们评估了几种商业上可用的无线协议,以评估它们如何满足我们对社交疏松的要求的要求。我们的候选人包括Wi-Fi,蜂窝,蓝牙低能量(BLE)和超宽带(UWB)。通常,每个消除许多协议的已知距离/位置精度规格(图3),但这里有值得注意的值。


图3.典型无线技术的距离测量精度。 (来源:Altran,使用已发布的参考[1])

无线上网

我们先看看Wi-Fi,只是因为它的笨蛋。在室内环境中的广泛部署使其成为建筑物内部社会疏远用例的有希望的解决方案,特别是在机场,小巷和停车车库等复杂结构,或GPS和其他卫星技术可能无法提供或提供低精度的地下位置。

优点: 由于Wi-Fi的广泛采用以及建立Wi-Fi网络的便利,可以快速部署解决方案,以便用户定位非常低成本和努力。此外,随着基于Wi-Fi的室内定位的最新进步,Wi-Fi可以提供适合某些社交偏移应用的可靠和更精确的位置服务(比较旧的Wi-Fi技术)。

这个怎么运作: 在Wi-Fi系统中,需要一种被称为无线接入点(AP)的无线发射器来发送无线电信号以与其覆盖区域中的用户设备通信。支持室内定位的最常见和最简单的方法是基于来自用户设备的信号的接收信号强度指示符(RSSI)来计算用户的位置。 RSSI精度在10米的范围内,减少到1-3米。 75-85%在利用更新的Wi-Fi往返时间(RTT)技术时的时间。

概括: 随着Wi-Fi的当前进步,如RTT,定位系统的准确性显着提高,导致许多室内定位应用的采用。但远程精度下降到1米仍然不足以让我们的社交偏移用例。此外,由于NLOS环境的影响,Wi-Fi可能在动态和复杂的室内环境中无效,其中信号可以被障碍物阴影或人分散。

基于Wi-Fi的技术也主要用于室内和室内相邻的环境,因为它需要几个AP用于本地化,这可能不会在室内室外环境中提供无缝过渡或在室外环境中可行。 Wi-Fi AP还需要额外的基础架构,例如从元素的电源和保护,使其更复杂地部署。

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随着在室内和室外环境中的蓝牙设备的爆炸性增长,我们也考虑了我们解决方案的BLE技术。

优点: BLE用于短程无线通信(2.4至2.485 GHz);与Wi-Fi相比,其本地化技术有几个优点。 BLE信号具有更高的采样率(即0.25Hz至2 Hz),提供更多数据来估计距离。 BLE技术也是更高功效的,因此更适合可穿戴设备。可以从大多数智能设备获得BLE信号,而可以仅从APS获得Wi-Fi信号。最后,BLE信标能够是电池供电,因此更灵活,更容易地部署而不是Wi-Fi接入点。

这个怎么运作: 基于蓝牙的本地化被认为是室内和室内邻近(户外露台,甲板等)环境的实用方法。室内定位方案通过使用来自其他蓝牙设备的数据来收集RSSI测量以检测用户的位置。

尽管基于BLE的室内定位可以实现比类似的Wi-Fi定位系统更好的性能,但BLE技术非常受到快速衰落和干扰的影响,导致距离精度在检测到另一个设备时。精度也受到BLE广告渠道,人类运动和人类障碍的强烈影响。提出提高准确性的方法已经取得了达到2米。

概括:对某些社交偏移应用有前途,蓝牙技术并未为我们的社会疏松可穿戴的距离测量提供一致性和准确性。还探讨了蓝牙和Wi-Fi技术的组合,但这也没有导致所需的准确性。

蜂窝

今天广泛部署的蜂窝网络基础设施可用于帮助在室外环境中找到人员(或更准确地,更准确地,启用有效的SIM或E-SIM或E-SIM卡的智能设备)。虽然室内环境中可用的蜂窝连接,但目前没有为我们的用例生产精确,可靠或快速的测量。社会疏散在室内和室外设定中都有相关,因此我们对蜂窝定位的讨论继续关注户外应用。

在过去的几年里,我们已经看到了蜂窝技术的巨大技术增长,其中一些是在位置定位应用中使用的关键候选者。利用当前蜂窝网络支持辅助GPS(A-GPS),增强电池ID(E-CID)和观察到的到达时间距离(OTDOA),蜂窝的定位精度显着提高。

凡好: 基于蜂窝距离测量的最大优点之一是它不需要额外的硬件基础设施;它可以在现有网络上运行。此外,大多数全球人口都拥有至少一个蜂窝装备智能设备,因此部署只需要一个移动应用程序和网络中的一些数据处理容量。

这个怎么运作: 在室外环境中,蜂窝定位技术使用上述算法,即A-GPS,E-CID和OTDOA。这里,通过添加参考数据(如RSS级别和RTT信息)增强了CID精度,它可以增强用于三角化和计算位置坐标的RTT信息。 E-CID还能够使用到达角(AOA)信息来提高整体准确性。通过这些技术,基于目的的基于LTE的蜂窝协议(3 / 4G)能够在室外设置中的距离测量精度下降到5-10米的范围。如果您丢失手机,但对于我们的用例不够准确。

全球许多电台正在积极部署新的5G蜂窝网络,5G具有性能特征,可以使其成为下一代社交疏散平台的优秀候选者。对我们用例的进一步测试将承担这一点,但鉴于5G部署的状态,我们的项目未考虑。

5G包括诸如MMWAVE通信,设备到设备(D2D)通信和超密集网络(UDN)之类的关键技术,这有助于其高精度定位的能力。利用MMWAVE通信的定位技术基于三角测量测量和到达的差异(ADOA)的验证。模拟表明,三角形验证和ADOA方法可以在室内,18 x 16米区域中分别实现85%和70%的概率达到估价的估价。通过实现卡尔曼滤波算法可以进一步提高本地化精度。

下一代5G技术还将启用定向或线性阵列天线,这将有助于使基于蜂窝的定位技术可用于室内应用。这里,AOA的基本原理和到达时间(TOA)用于位置测量。

概括: 适用于电池网络基础设施完全部署的户外环境,现有的3 / 4G蜂窝协议只能提供低于10米的距离精度,不适合我们的用例。虽然未来几代5G在轨道上实现次仪距离精度 - 可能以新技术降低 - 此时,部署覆盖范围是不够的,以使5G解决方案为我们的需求提供可行的选择。 5G适合室内定位的适用性仍然未经测试。

UWB.

与其蓝牙和Wi-Fi同行不同,UWB在广泛的GHz频率下运行,从3.1到10.6 GHz。虽然UWB并不像其他协议一样广泛部署,但它具有一些独特的属性,使其成为我们社交疏散项目以及未来室内定位用例的优秀候选者。

优点: UWB可用于捕获高度精确的空间和方向数据,并且可以在厘米水平的短到距离中距离范围内维持测量精度。根据用例,UWB测量精度能够将距离精度降至5-10厘米。由于其独特的特性,如高时域分辨率,多径的免疫力,低成本实现,低功耗,良好的穿透和宽带宽UWB信号(由FCC规定的至少500 MHz),脉冲无线电UWB技术具有与其他无线RF技术相比,在时域内产生非常短持续长度高斯脉冲的能力,这使得一些优点是相比。其宽带宽也使其对其他通信技术中的多径传播和窄带干扰具有相对更好的免疫力,因为这些类型的干扰仅影响部分频谱。

UWB.在固体材料中具有良好的渗透,例如墙壁和其他结构,因此它可以在NLOS环境中更始终如一地执行。和我们的小型系子设计的关键优势,UWB允许我们使用较小的天线由于工作频率和射频增加  电路 即使是更简单 数据传输速率 are higher.

这个怎么运作: 在UWB通信中,超短脉冲用于传达数据,这允许使用用于信号的飞行时间或飞行时间或时间(TOF)的双向距离的高精度估计。频谱密度越高,在多路径环境中提供了更强大的鲁棒性,因此更准确的测距(距离测量)能力。

作为我们UWB评估的一部分,我们提供了来自Renesas的UWB低速脉冲(LRP)芯片组。 LRP的主要优势是低于其他标准UWB解决方案的功耗降低了10倍,因此是我们电池操作的可穿戴的理想选择。例如,在发射模式下,UWB高速脉冲(HRP)的典型功耗从100–120mA,UWB LRP通常绘制10-20mA。基于LRP标准的设备通常不会用于距离测距应用,但最新标准IEEE 802.15.4z使它们能够以超低功耗模式运行,同时使用我们在距离计算中使用的往返TOF机制来实现安全的测距功能。

在我们项目的第一阶段,我们通常在20-30厘米内测量UWB LRP的距离精度。对于清晰的LOS环境,更接近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靠性,以实现更接近所需的10厘米。

与BLE和Wi-Fi相比,UWB从TX到Rx工作的短突发脉冲无线电。结合其宽带宽,这将降低到子MS的延迟,因为不需要解码或调制。

概括: 基于对距离测量精度,可靠性,形状系数/尺寸,性能等关键因素的评估,典型部署环境的性能,延迟,低功耗,可扩展性和对干扰的敏感性降低,我们得出结论,UWB LRP–从瑞萨的新芯片组中杠杆–是用于精确距离测量的最佳无线技术我们的社会疏远项目。

我们最终结合组合使用BLE和UWB(图4)。这使我们提供了UWB的高精度距离测量和一致性以及在当地环境内的设备中始终开启邻近检测的BLE的功效的优点。在我们的应用中,BLE还支持将历史警报数据和实际距离测量推向移动应用程序。


图4:最终POC平台使用BLE和UWB LRP的组合进行最佳电力利用。 (来源:Altran)

社交疏远腕带的清晰选择

社交偏移和面具仍然仍然是人类的第一道防线,反对Covid-19和其他疾病通过接触或空降传播的疾病。在这个项目中,Altran和Renesas使用Renesas MCU和UWB LRP芯片开发一个嵌入式平台,为社交疏远用例。虽然该项目包括设计和(小批量)制造腕带原型,但平台本身可以很容易地调整,以便在许多方面实现社会偏移(以及接触追踪),以及许多室内和室外位置/位置的功能IOT产品的类型和表格因素,其中距离和位置精度至关重要。使用UWB LRP芯片的选项进一步扩展了使用情况的使用范围,以包括功率效率至关重要的情况。

参考

[1]无线协议距离精度数据:

[2] 仿真结果


nitya verma 是Altran的嵌入式解决方案的董事,Capgemini集团的一部分。他负责从物联网到电子,医疗保健,工业和汽车应用的许多类型的嵌入式产品,并为可穿戴物提供产品创新。他还与Altran的研究合作&创新团队提供跨越5G,Edge,Weaderse,IoT和汽车领域的新兴技术策略和解决方案。他在部署嵌入式无线技术方面拥有深刻的经验,以推动使用案例和行业的增长。

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发布时间: 2021-05-13 14:30:05

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