可以準(zhǔn)確的評(píng)估社交距離可穿戴的技術(shù)探討

社交距離是減少病毒接觸的基石，它在減少病毒接觸和傳播的風(fēng)險(xiǎn)方面繼續(xù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然世界衛(wèi)生當(dāng)局已經(jīng)確定6英尺(2米)是一個(gè)安全距離,但設(shè)計(jì)幫助消費(fèi)者提高社交距離意識(shí)和警報(bào)的設(shè)備已證明具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)槠浜诵墓δ芤蕾?lài)于準(zhǔn)確、低延遲距離測(cè)量。

在最近的一次合作中,ALTRACN與半導(dǎo)體公司Reesas合作,開(kāi)發(fā)了一種智能的可穿戴設(shè)備/平臺(tái),并在超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了一個(gè)社交遠(yuǎn)程腕帶原型。當(dāng)在用戶(hù)指定的"安全"距離內(nèi)檢測(cè)到第二個(gè)設(shè)備時(shí),腕帶會(huì)提醒穿戴者。本文分享了該項(xiàng)目的第一階段的見(jiàn)解:評(píng)估無(wú)線(xiàn)協(xié)議以滿(mǎn)足精確距離測(cè)量的要求,同時(shí)保持其他關(guān)鍵平臺(tái)要求的平衡,如功率效率、尺寸和用戶(hù)體驗(yàn)。

一個(gè)要求很多的小型設(shè)備

在這個(gè)項(xiàng)目中,我們的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)嵌入式的社交遠(yuǎn)程平臺(tái),適合于可穿戴的應(yīng)用,利用雷內(nèi)塞集成電路技術(shù)。作為概念的證明,還設(shè)計(jì)和制造了基于該平臺(tái)的腕帶原型,以小批量展示功能(監(jiān)測(cè)和警報(bào))和社交遠(yuǎn)程使用案例中的用戶(hù)體驗(yàn)?？纱┐鞯男问揭蛩貨Q定了對(duì)一種或多種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的需求,其選擇以一些基本要求為中心。

· 精確的距離測(cè)量-用于準(zhǔn)確的警報(bào)和沒(méi)有錯(cuò)誤的警報(bào). 到目前為止,對(duì)于我們的用例來(lái)說(shuō),選擇無(wú)線(xiàn)協(xié)議的最重要的標(biāo)準(zhǔn)是其測(cè)量距離的能力,其精確度能夠區(qū)分安全和不安全的距離。測(cè)量精度也是消除(或嚴(yán)重減少)不精確距離測(cè)量引起的錯(cuò)誤警報(bào)數(shù)量的關(guān)鍵。接收到的警報(bào)可能或不可能等同于不安全的距離,使用戶(hù)難以解讀真實(shí)的和不安全的。假的威脅。

· 物質(zhì)環(huán)境的影響。 無(wú)線(xiàn)協(xié)議應(yīng)該受到典型使用場(chǎng)景的物理環(huán)境的最小影響。換句話(huà)說(shuō),該設(shè)備需要能夠提供準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)量數(shù)據(jù),無(wú)論是室內(nèi)還是室外的,在視線(xiàn)范圍內(nèi)還是在非聯(lián)絡(luò)處的情況下,以及在動(dòng)態(tài)環(huán)境中,比如那些有許多移動(dòng)物體或改變聯(lián)絡(luò)處的環(huán)境中。

· 低延遲期。 為了有效,從威脅檢測(cè)到用戶(hù)警報(bào)的反應(yīng)時(shí)間必須足夠快,用戶(hù)有時(shí)間采取預(yù)防行動(dòng)和/或必要的預(yù)防措施。

· 形式因素。 在可穿戴設(shè)備中,無(wú)線(xiàn)技術(shù)必須是輕量級(jí)和小型的。

· 電力效率。 可穿戴是電池操作的,但D 一個(gè)物體,一個(gè)人,一個(gè)信號(hào),等等。-通常涉及傳感器,不知道其功率效率的組件。對(duì)于我們的用例,至關(guān)重要的是設(shè)計(jì)一個(gè)具有非凡功率的無(wú)線(xiàn)解決方案,在所有的操作模式,提供預(yù)期的電池壽命之間的充電。

· 可伸縮性。 根據(jù)定義,一個(gè)社交距離使用案例涉及多個(gè)人,通常是人群,因此無(wú)線(xiàn)解決方案必須能夠?yàn)槎鄠€(gè)同時(shí)目標(biāo)提供可靠和準(zhǔn)確的距離測(cè)量。

一般而言,每一項(xiàng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)都支持使用某種組合信號(hào)捕獲(使用基于時(shí)間、角位置或接收信號(hào)的方法)和定位技術(shù)(使用三角測(cè)量或三方測(cè)量方法)進(jìn)行距離和位置測(cè)量。

評(píng)估無(wú)線(xiàn)技術(shù)

我們?cè)u(píng)估了幾種商業(yè)上可用的無(wú)線(xiàn)協(xié)議,以評(píng)估它們能在多大程度上滿(mǎn)足我們對(duì)社交可穿戴距離的要求。我們的候選人包括Wi-Fi、手機(jī)、藍(lán)牙低能量(BLE)和超寬帶(UWB)。一般而言,每個(gè)協(xié)議已知的距離/位置精度規(guī)格消除了許多協(xié)議,但這里值得注意的一些優(yōu)點(diǎn)。

Wi-Fi

我們先看Wi-Fi,僅僅因?yàn)樗鼰o(wú)處不在。該系統(tǒng)廣泛部署在室內(nèi)環(huán)境中,對(duì)于建筑物內(nèi)部,特別是在機(jī)場(chǎng)、小巷和停車(chē)場(chǎng)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中,或在全球定位系統(tǒng)和其他衛(wèi)星技術(shù)可能無(wú)法提供或提供低精度的地下地點(diǎn),使其成為一種有希望的解決辦法。

專(zhuān)業(yè): 由于廣泛采用Wi-Fi和方便地建立Wi-Fi網(wǎng)絡(luò),可以以非常低的成本和精力快速部署解決方案,以供用戶(hù)定位。此外,隨著基于Wi-Fi的室內(nèi)定位的最新進(jìn)展,Wi-Fi可以提供更可靠和更精確的定位服務(wù)(比舊的Wi-Fi技術(shù)),適合一些社交遠(yuǎn)程應(yīng)用。

如何運(yùn)作: 在Wi-Fi系統(tǒng)中,無(wú)線(xiàn)發(fā)射機(jī)(稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn))需要傳輸無(wú)線(xiàn)電信號(hào),以便在其覆蓋范圍內(nèi)與用戶(hù)設(shè)備進(jìn)行通信。支持室內(nèi)定位的最常見(jiàn)和最簡(jiǎn)單的方法是根據(jù)用戶(hù)設(shè)備信號(hào)的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器來(lái)計(jì)算用戶(hù)的位置。RSSI的精確度在10+米范圍內(nèi),約降至1-3米。75-85%的時(shí)間使用更新的Wi-Fi雙程時(shí)間(rtt)技術(shù)。

摘要: 隨著無(wú)線(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,如RTT,定位系統(tǒng)的精確性有了很大的提高,使其被許多室內(nèi)定位應(yīng)用所采用。但距離精度降至1米仍不足以滿(mǎn)足我們的社交距離使用情況。此外,Wi-Fi在動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中可能不起作用,這是由于NLS環(huán)境的影響,在那里,信號(hào)可能會(huì)被障礙陰影或人散布。

基于WIFI的技術(shù)也主要用于室內(nèi)和室內(nèi)鄰近環(huán)境,因?yàn)樗枰舾杀镜鼗腁PS,這些APS可能無(wú)法在室內(nèi)-室外環(huán)境中提供無(wú)縫過(guò)渡,或者在室外環(huán)境中是可行的。Wi-FiAPS還需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施,如電源和不受元素影響的保護(hù),使其部署更加復(fù)雜。

BLE

隨著藍(lán)牙設(shè)備在室內(nèi)和室外環(huán)境中的爆炸性增長(zhǎng),我們也考慮了可用于我們的解決方案的技術(shù)。

專(zhuān)業(yè): BLE用于短距離無(wú)線(xiàn)通信(2.4到2.485千兆赫);與Wi-Fi相比,它的定位技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。BL信號(hào)的采樣率較高(即:提供更多的數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)距離。BL技術(shù)也具有更高的功率效率,因此更適合于可穿戴設(shè)備。大多數(shù)智能設(shè)備都可以獲得BL信號(hào),而Wi-Fi信號(hào)只能從APS上獲得。最后,BL信標(biāo)能夠以電池為動(dòng)力,因此比Wi-Fi接入點(diǎn)更靈活,更容易部署。

如何運(yùn)作: 藍(lán)牙定位被認(rèn)為是室內(nèi)和室內(nèi)(室外天井、甲板等)的一種實(shí)用方法。)環(huán)境。室內(nèi)定位方案收集rssi測(cè)量數(shù)據(jù),利用三角測(cè)量機(jī)制和其他藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)來(lái)檢測(cè)用戶(hù)的位置。

盡管基于BLE的室內(nèi)定位比類(lèi)似的Wi-Fi定位系統(tǒng)能獲得更好的性能,但是BAR技術(shù)受到快速褪色和干擾的嚴(yán)重影響,導(dǎo)致在檢測(cè)另一種設(shè)備時(shí)距離精度低。BL廣告渠道、人的運(yùn)動(dòng)和人的障礙也對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響。提出的提高精度的方法已達(dá)到2米.

概括的 :藍(lán)牙技術(shù)在一些社交遠(yuǎn)程應(yīng)用中很有前途,它沒(méi)有為我們的社交遠(yuǎn)程可穿戴性提供一致性和精確度的測(cè)量。還探討了將藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合的問(wèn)題,但這也沒(méi)有產(chǎn)生所需的準(zhǔn)確性。

CELL

如今廣泛部署的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可用于幫助在室外環(huán)境中定位一個(gè)人(或更準(zhǔn)確地說(shuō),一個(gè)活動(dòng)的模擬或電子模擬智能設(shè)備)。盡管在室內(nèi)環(huán)境中可以使用蜂窩連接,但目前還不能為我們的用例提供準(zhǔn)確、可靠或足夠快的測(cè)量數(shù)據(jù)。社交距離在室內(nèi)和室外環(huán)境中都是相關(guān)的,因此我們對(duì)蜂窩本地化的討論繼續(xù)側(cè)重于戶(hù)外應(yīng)用。

在過(guò)去的幾年里,我們看到了蜂窩技術(shù)的巨大發(fā)展,其中一些使得它成為定位應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵選擇。隨著目前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持輔助全球定位系統(tǒng)(GPS)、增強(qiáng)的電池識(shí)別系統(tǒng)(E-CID)和到達(dá)時(shí)的觀測(cè)時(shí)間距離(OTDOA),蜂窩定位的準(zhǔn)確性大大提高。

專(zhuān)業(yè)知識(shí) : 基于CELL的距離測(cè)量的最大優(yōu)點(diǎn)之一是它不需要額外的硬件基礎(chǔ)設(shè)施;它可以在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。此外,大多數(shù)全球人口至少擁有一個(gè)帶CELL設(shè)備的智能設(shè)備,因此部署只需要一個(gè)移動(dòng)應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)中的一些數(shù)據(jù)處理能力。

如何運(yùn)作: 在室外環(huán)境中,CELL定位技術(shù)使用上述算法,即a-gps、e-cid和Otdoa。在這里,e-CID通過(guò)添加參考數(shù)據(jù),例如rss級(jí)別和用于三角定位和計(jì)算位置坐標(biāo)的rtt信息,提高了CID的準(zhǔn)確性。e-CID還能夠使用到達(dá)角信息來(lái)提高總體的準(zhǔn)確性。通過(guò)這些技術(shù),目前基于LTE的蜂窩協(xié)議(3/4G)能夠在室外環(huán)境中測(cè)量到5-10米的距離。如果你的手機(jī)丟了就足夠了,但對(duì)我們的用例來(lái)說(shuō)不夠準(zhǔn)確。

世界各地的許多電信公司都在積極部署新的5G手機(jī)網(wǎng)絡(luò),5G具有性能特點(diǎn),可以成為下一代社交遠(yuǎn)程平臺(tái)的優(yōu)秀候選人。進(jìn)一步測(cè)試我們的用例將證實(shí)這一點(diǎn),但是考慮到5G部署狀態(tài),我們的項(xiàng)目沒(méi)有考慮到它。

5G包括MM波通信、設(shè)備對(duì)設(shè)備通信和超密集網(wǎng)絡(luò)等關(guān)鍵技術(shù),這些技術(shù)有助于提高其高精度定位能力。利用MM波通信的定位技術(shù)是基于對(duì)三角測(cè)量和到達(dá)差異角的驗(yàn)證。模擬結(jié)果表明,在室內(nèi)18x16米的區(qū)域內(nèi),三角驗(yàn)證法和ADAA法可分別達(dá)到85%和70%的準(zhǔn)精度。實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波算法可以進(jìn)一步提高定位精度.

下一代5G技術(shù)還將使定向或線(xiàn)性陣列天線(xiàn)成為可能,這將有助于使基于纖維的定位技術(shù)也能用于室內(nèi)應(yīng)用。在這里,使用了農(nóng)產(chǎn)品協(xié)議和到達(dá)時(shí)間的基本原則來(lái)測(cè)量位置。

摘要: 適用于電池網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施充分部署的室外環(huán)境,現(xiàn)有的3/4G蜂窩協(xié)議只能提供10米的距離精度,不適合我們的用例。雖然未來(lái)的5G的一代人正在實(shí)現(xiàn)亞標(biāo)尺距離的準(zhǔn)確性--可能是低的新技術(shù)--部署覆蓋率目前還不足以使5G的解決方案成為可行的選擇,以滿(mǎn)足我們的需要。5G對(duì)于室內(nèi)定位的適用性還沒(méi)有得到檢驗(yàn)。

Uwb

與藍(lán)牙和Wi-Fi不同,UWB的工作頻率范圍很廣,從3.1千兆赫到106千兆赫不等。雖然U世行的部署不如其他協(xié)議那么廣泛,但它有一些獨(dú)特的特性,使其成為我們的社交距離項(xiàng)目以及未來(lái)室內(nèi)定位使用案例的優(yōu)秀候選人。

專(zhuān)業(yè):UWB可用于捕捉高度精確的空間和方向數(shù)據(jù),并可在短至中距離范圍內(nèi)保持厘米級(jí)的測(cè)量精度。超寬帶測(cè)量精度可以根據(jù)用例將距離精度降至5-10厘米。由于其獨(dú)特的特性,如高時(shí)域分辨率、多徑免疫性、低成本實(shí)現(xiàn)、低功耗、良好的穿透率和寬帶超寬帶信號(hào)(至少500兆赫由聯(lián)邦通信委員會(huì)指定),脈沖超寬帶無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能夠在時(shí)域產(chǎn)生非常短的高斯脈沖,與其他無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)相比,它具有一些優(yōu)勢(shì)。它的寬帶也使它對(duì)多徑傳播和窄帶干擾的抵抗力相對(duì)較好,因?yàn)檫@些類(lèi)型的干擾只影響部分光譜。

UWB具有良好的滲透性,在固體材料,如墻壁和其他結(jié)構(gòu),因此它可以更一致地執(zhí)行在國(guó)家海洋法委員會(huì)環(huán)境。超寬帶是我們?cè)O(shè)計(jì)小形狀要素的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì),它使我們能夠使用較小的天線(xiàn),因?yàn)樗墓ぷ黝l率和射頻增加。 ?電路 更簡(jiǎn)單,盡管?數(shù)據(jù)傳輸率 是更高的。

如何運(yùn)作: 在超短波通信中,利用超短脈沖來(lái)通信數(shù)據(jù),從而能夠利用信號(hào)的飛行時(shí)間或時(shí)間對(duì)雙向距離進(jìn)行高精度的估計(jì)。光譜密度越高,在多路徑環(huán)境中提供了更強(qiáng)的魯棒性,因此具有了更精確的測(cè)距(距離測(cè)量)能力。

作為超寬帶評(píng)價(jià)的一部分,我們提供了一個(gè)超寬帶低速率脈沖(LRP)芯片集。LRP的主要優(yōu)勢(shì)是比其他標(biāo)準(zhǔn)UWB解決方案低10倍的耗電量,因此是適合我們電池操作的可穿戴性的理想選擇。例如,在傳輸模式下,典型的超寬帶高速率脈沖(HRP)的功率消耗范圍從100-120mA不等,在那里,超寬帶LRP通常會(huì)產(chǎn)生10-20mA。基于LRP的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備通常不用于遠(yuǎn)程測(cè)距應(yīng)用,但最新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4Z使它們能夠在超低耗電模式下運(yùn)行,同時(shí)使用我們?cè)谶h(yuǎn)程計(jì)算中使用的雙程T自由度機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)安全測(cè)距能力。

在我們項(xiàng)目的第一階段,我們通常在20-30厘米的范圍內(nèi)測(cè)量超寬帶LRP的距離精度。對(duì)于明確的聯(lián)絡(luò)處環(huán)境,接近20厘米;對(duì)于國(guó)家海洋法法庭環(huán)境,接近30厘米。在下一個(gè)項(xiàng)目階段,將進(jìn)一步調(diào)整距離的準(zhǔn)確性和可靠性,以接近所需的10厘米。

相比較于BL和Wi-Fi,UWB工作在短突發(fā)脈沖無(wú)線(xiàn)電從TX到RX。由于不需要解碼或調(diào)制,這與它的寬帶相結(jié)合,將延遲降低到子MS。

摘要: 通過(guò)對(duì)距離測(cè)量的準(zhǔn)確性、可靠性、形式因數(shù)/尺寸、典型部署環(huán)境下的性能、延遲、低功耗、可伸縮性和降低對(duì)干擾敏感度等關(guān)鍵因素的評(píng)價(jià),我們得出結(jié)論認(rèn)為,在雷納斯公司的新芯片組中利用UWBLRP,是精確測(cè)量距離的最佳無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

我們最終確定了社交遠(yuǎn)程平臺(tái),同時(shí)利用UL和UWB的組合。這給了我們超寬帶高精度的距離測(cè)量和一致性的優(yōu)勢(shì),以及在當(dāng)?shù)丨h(huán)境中對(duì)設(shè)備進(jìn)行傳感時(shí),BLE用于長(zhǎng)期的近距離檢測(cè)的功率效率。在我們的應(yīng)用程序中,BAR還支持將歷史警報(bào)數(shù)據(jù)和實(shí)際距離測(cè)量數(shù)據(jù)推到移動(dòng)應(yīng)用程序上。