评估可与社会隔离的可穿戴设备的技术

2021-03-01

远离社会是缓解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。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力是一项挑战，因为其核心功能依赖于准确的低延迟距离测量。

在最近的合作中，Altran与半导体公司瑞萨电子（Renesas）合作开发了智能可穿戴设备/平台，并基于超宽带（UWB）技术为社交疏远腕带制作了原型。当在用户指定的“安全”距离内检测到第二个设备时，腕带会提醒佩戴者。本文分享了该项目第一阶段的见解：评估无线协议以满足精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，尺寸和用户体验）达到平衡。

具有大量需求的小型设备

在该项目中，我们的目标是创建一个适用于利用瑞萨IC技术的可穿戴应用的嵌入式社交疏散平台。作为概念验证，还以小批量设计和制造了基于该平台的腕带原型，以在社交疏远用例中演示其功能（监视和警报）和用户体验（图1）。  

穿戴式设备的尺寸决定了对一种或多种无线技术的需求，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，没有虚假警报。到目前为止，对于我们的用例而言，选择无线协议的最重要标准是其以能够区分安全距离和不安全距离的准确度来测量距离的能力。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。接收到的警报可能等同于不安全间隔，也可能不等同于不安全间隔，这对于用户解密真实威胁还是虚假威胁都具有挑战性。

物理环境的影响。无线协议应受典型使用场景的物理环境的影响最小。换句话说，无论是在室内还是室外，视线（LOS）或非视线（NLOS）的情况下以及在动态环境（例如具有多种环境的环境）中使用，该设备都必须能够提供准确且可重复的测量结果移动物体或更改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，以使用户有时间采取预防措施和/或采取必要的预防措施。

构成因素。在可穿戴设备中，无线技术必须轻巧小巧。

电源效率。可穿戴设备是电池供电的，但是对物体，人，信号等的检测通常涉及传感器，以其能效而闻名的组件。对于我们的用例，至关重要的是设计一种在所有操作模式下均具有出色功率效率的无线解决方案，以在两次充电之间提供预期的电池寿命。

可扩展性。从定义上讲，社交疏远用例涉及多个人，常常是人群，因此无线解决方案必须能够为多个同时目标提供可靠，准确的距离测量。

通常，每种无线技术都使用一些组合信号捕获（使用基于时间的角度位置或接收信号的方法）和定位技术（使用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。

评估无线技术

我们评估了几种可商购的无线协议，以评估它们如何满足我们对社交距离可穿戴设备的要求。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协议（图3），但是这里值得一提。

图3.典型无线技术的距离测量精度。

无线上网

我们首先研究Wi-Fi，只是因为它无处不在。它在室内环境中的广泛部署使其成为建筑物内社交距离远的用例的有希望的解决方案，尤其是在机场，小巷和停车场或可能无法使用GPS和其他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的广泛采用和建立Wi-Fi网络的便利性，可以以非常低的成本和精力快速部署解决方案以进行用户定位。此外，随着基于Wi-Fi的室内定位的最新发展，Wi-Fi可以提供可靠且更精确的定位服务（比旧的Wi-Fi技术更适合某些社交距离应用）。  

工作原理：在Wi-Fi系统中，需要无线传输器（称为无线接入点（AP））传输无线电信号以与其覆盖区域内的用户设备进行通信。支持室内定位的最常见和最简单的方法是，根据来自用户设备的信号的接收信号强度指示器（RSSI），计算用户的位置。RSSI精度在10米以上的范围内，降低到1-3米左右。使用更新的Wi-Fi往返时间（RTT）技术的时间为75-85％。

简介：随着诸如RTT之类的Wi-Fi的最新发展，定位系统的准确性已大大提高，从而使其在许多室内定位应用中得到采用。但是，对于我们的社交距离用例而言，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可能在动态和复杂的室内环境中无效，在这种情况下，信号可能会被障碍阴影或人分散。

基于Wi-Fi的技术还主要用于室内和室内相邻环境，因为它需要多个AP进行本地化，这可能无法在室内-室外环境中提供无缝过渡，或者在室外环境中不可行。Wi-Fi AP还需要额外的基础架构，例如电源和元素保护，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长，我们也将BLE技术视为我们的解决方案。

优点： BLE用于短距离无线通信（2.4至2.485 GHz）；与Wi-Fi相比，其本地化技术具有多个优势。BLE信号具有较高的采样率（即0.25 Hz至2 Hz），从而提供了更多的数据来估计距离。BLE技术还具有更高的电源效率，因此更适合可穿戴设备。BLE信号可以从大多数智能设备中获得，而Wi-Fi信号只能从AP中获得。最后，BLE信标能够由电池供电，因此比Wi-Fi接入点更灵活，更易于部署。

工作原理：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为是一种实用的方法。室内定位方案通过使用三角测量机制和来自其他蓝牙设备的数据来收集RSSI测量值，以检测用户的位置。

尽管基于BLE的室内定位可以比类似的Wi-Fi定位系统实现更好的性能，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，人员移动和障碍物也会严重影响准确性。提出的提高精确度的方法可将结果降低到2米。  

摘要：对于某些社交距离应用程序，蓝牙技术没有为我们的社交距离可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，但这并没有导致所需的准确性。

蜂窝电话

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

在过去的几年中，我们看到了蜂窝技术的巨大技术发展，其中一些使其成为定位应用中的关键候选人。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；它可以在现有网络上运行。此外，全球大多数人至少拥有一个配备蜂窝功能的智能设备，因此部署仅需要一个移动应用程序和网络中的一些数据处理能力。

工作原理：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。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，这些参考数据用于对三角测量和位置坐标进行三角测量。E-CID还能够使用到达角（AoA）信息来提高整体精度。通过这些技术，当前基于LTE的蜂窝协议（3 / 4G）能够在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，但是对于我们的用例来说不够准确。

全球许多电信公司都在积极部署新的5G蜂窝网络，而5G的性能特征使其成为下一代社交距离平台的理想选择。对我们的用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，这些技术有助于其实现高精度定位的能力。利用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的室内区域中，三角剖分验证和ADOA方法可以分别达到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，可以进一步提高定位精度。   

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

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

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并未像其他协议那样得到广泛部署，但它具有一些独特的属性，使其成为我们的社会隔离项目以及未来室内定位用例的理想之选。  

优点：UWB可用于捕获高度准确的空间和方向数据，并可以在短至中距离范围内保持厘米级的测量精度。根据使用情况，UWB的测量精度可以达到5-10 cm的距离精度。由于其独特的特性，例如高时域分辨率，多径抗扰性，低成本实现，低功耗，良好的穿透性和宽带UWB信号（FCC规定至少为500 MHz），脉冲无线UWB技术具有具有在时域中生成非常短时间的高斯脉冲的能力，与其他无线RF技术相比，这具有一些优势。它的宽带宽还使其相对更好地抵抗了其他通信技术中普遍存在的多径传播和窄带干扰，

UWB在固体材料（例如墙壁和其他结构）中具有良好的渗透性，因此它可以在NLOS环境中更稳定地运行。作为我们小尺寸设计的主要优势，由于数据传输速率 更高，UWB允许我们使用较小的天线，这是因为工作频率提高了，而且RF 电路 更简单。

工作原理：在UWB通信中，超短脉冲用于通信数据，这允许使用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，在多路径环境中提供的鲁棒性就越强，因此具有更精确的测距（距离测量）能力。

作为我们UWB评估的一部分，我们获得了瑞萨电子（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标准UWB解决方案低10倍，因此非常适合我们的电池供电可穿戴设备。例如，在发射模式下，UWB高速率脉冲（HRP）的典型功耗范围为100 – 120mA，其中UWB LRP通常消耗10-20mA。基于LRP标准的设备通常不用于距离测距应用，但是最新的标准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靠性，以使其更接近所需的10厘米。

与BLE和Wi-Fi相比，UWB可以在从Tx到Rx的短脉冲脉冲无线电中工作。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级。

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

我们最终确定了结合使用BLE和UWB的社交疏散平台（图4）。这为我们提供了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程序。

图4：最终的POC平台结合使用BLE和UWB LRP，以实现最佳的电源利用率。

远离社交的腕带的明确选择

远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疾病的第一道防线。在该项目中，Altran和瑞萨电子联手开发了一种嵌入式平台，该平台使用瑞萨MCU和UWB LRP芯片开发了一种用于社交疏散用例的平台。尽管该项目包括腕带原型的设计和（小批量）制造，但该平台本身可以轻松进行调整，以实现社交距离（和联系追踪），以及许多其他基于室内和室外位置/位置的功能距离和位置精度至关重要的物联网产品的类型和形状因数。使用UWB LRP芯片的选择进一步扩展了用例的范围，以包括那些对功率效率至关重要的情况。