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險方面繼續(xù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然世界衛(wèi)生當局已經(jīng)確定6英尺(2米)是一個安全距離,但設(shè)計幫助消費者提高社交距離意識和警報的設(shè)備已證明具有挑戰(zhàn)性,因為其核心功能依賴于準確、低延遲距離測量。
在最近的一次合作中,ALTRACN與半導(dǎo)體公司Reesas合作,開發(fā)了一種智能的可穿戴設(shè)備/平臺,并在超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)上建立了一個社交遠程腕帶原型。當在用戶指定的"安全"距離內(nèi)檢測到第二個設(shè)備時,腕帶會提醒穿戴者。本文分享了該項目的第一階段的見解:評估無線協(xié)議以滿足精確距離測量的要求,同時保持其他關(guān)鍵平臺要求的平衡,如功率效率、尺寸和用戶體驗。
一個要求很多的小型設(shè)備
在這個項目中,我們的目標是創(chuàng)建一個嵌入式的社交遠程平臺,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)計和制造了基于該平臺的腕帶原型,以小批量展示功能(監(jiān)測和警報)和社交遠程使用案例中的用戶體驗?？纱┐鞯男问揭蛩貨Q定了對一種或多種無線技術(shù)的需求,其選擇以一些基本要求為中心。
· 精確的距離測量-用于準確的警報和沒有錯誤的警報. 到目前為止,對于我們的用例來說,選擇無線協(xié)議的最重要的標準是其測量距離的能力,其精確度能夠區(qū)分安全和不安全的距離。測量精度也是消除(或嚴重減少)不精確距離測量引起的錯誤警報數(shù)量的關(guān)鍵。接收到的警報可能或不可能等同于不安全的距離,使用戶難以解讀真實的和不安全的。假的威脅。
· 物質(zhì)環(huán)境的影響。 無線協(xié)議應(yīng)該受到典型使用場景的物理環(huán)境的最小影響。換句話說,該設(shè)備需要能夠提供準確和可重復(fù)的測量數(shù)據(jù),無論是室內(nèi)還是室外的,在視線范圍內(nèi)還是在非聯(lián)絡(luò)處的情況下,以及在動態(tài)環(huán)境中,比如那些有許多移動物體或改變聯(lián)絡(luò)處的環(huán)境中。
· 低延遲期。 為了有效,從威脅檢測到用戶警報的反應(yīng)時間必須足夠快,用戶有時間采取預(yù)防行動和/或必要的預(yù)防措施。
· 形式因素。 在可穿戴設(shè)備中,無線技術(shù)必須是輕量級和小型的。
· 電力效率。 可穿戴是電池操作的,但D 一個物體,一個人,一個信號,等等。-通常涉及傳感器,不知道其功率效率的組件。對于我們的用例,至關(guān)重要的是設(shè)計一個具有非凡功率的無線解決方案,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,一個社交距離使用案例涉及多個人,通常是人群,因此無線解決方案必須能夠為多個同時目標提供可靠和準確的距離測量。
一般而言,每一項無線技術(shù)都支持使用某種組合信號捕獲(使用基于時間、角位置或接收信號的方法)和定位技術(shù)(使用三角測量或三方測量方法)進行距離和位置測量。
評估無線技術(shù)
我們評估了幾種商業(yè)上可用的無線協(xié)議,以評估它們能在多大程度上滿足我們對社交可穿戴距離的要求。我們的候選人包括Wi-Fi、手機、藍牙低能量(BLE)和超寬帶(UWB)。一般而言,每個協(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。
Wi-Fi
我們先看Wi-Fi,僅僅因為它無處不在。該系統(tǒng)廣泛部署在室內(nèi)環(huán)境中,對于建筑物內(nèi)部,特別是在機場、小巷和停車場等復(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)可能無法提供或提供低精度的地下地點,使其成為一種有希望的解決辦法。
專業(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,以供用戶定位。此外,隨著基于Wi-Fi的室內(nèi)定位的最新進展,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)),適合一些社交遠程應(yīng)用。
如何運作: 在Wi-Fi系統(tǒng)中,無線發(fā)射機(稱為無線接入點)需要傳輸無線電信號,以便在其覆蓋范圍內(nèi)與用戶設(shè)備進行通信。支持室內(nèi)定位的最常見和最簡單的方法是根據(jù)用戶設(shè)備信號的接收信號強度指示器來計算用戶的位置。RSSI的精確度在10+米范圍內(nèi),約降至1-3米。75-85%的時間使用更新的Wi-Fi雙程時間(rtt)技術(shù)。
摘要: 隨著無線無線網(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米仍不足以滿足我們的社交距離使用情況。此外,Wi-Fi在動態(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,信號可能會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,因為它需要若干本地化的APS,這些APS可能無法在室內(nèi)-室外環(huán)境中提供無縫過渡,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,使其部署更加復(fù)雜。
BLE
隨著藍牙設(shè)備在室內(nèi)和室外環(huán)境中的爆炸性增長,我們也考慮了可用于我們的解決方案的技術(shù)。
專業(yè): BLE用于短距離無線通信(2.4到2.485千兆赫);與Wi-Fi相比,它的定位技術(shù)有幾個優(yōu)點。BL信號的采樣率較高(即:提供更多的數(shù)據(jù)來估計距離。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,而Wi-Fi信號只能從APS上獲得。最后,BL信標能夠以電池為動力,因此比Wi-Fi接入點更靈活,更容易部署。
如何運作: 藍牙定位被認為是室內(nèi)和室內(nèi)(室外天井、甲板等)的一種實用方法。)環(huán)境。室內(nèi)定位方案收集rssi測量數(shù)據(jù),利用三角測量機制和其他藍牙設(shè)備的數(shù)據(jù)來檢測用戶的位置。
盡管基于BLE的室內(nèi)定位比類似的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重影響,導(dǎo)致在檢測另一種設(shè)備時距離精度低。BL廣告渠道、人的運動和人的障礙也對準確性產(chǎn)生很大影響。提出的提高精度的方法已達到2米.
概括的 :藍牙技術(shù)在一些社交遠程應(yīng)用中很有前途,它沒有為我們的社交遠程可穿戴性提供一致性和精確度的測量。還探討了將藍牙和Wi-Fi技術(shù)相結(jié)合的問題,但這也沒有產(chǎn)生所需的準確性。
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)境中定位一個人(或更準確地說,一個活動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確、可靠或足夠快的測量數(shù)據(jù)。社交距離在室內(nèi)和室外環(huán)境中都是相關(guān)的,因此我們對蜂窩本地化的討論繼續(xù)側(cè)重于戶外應(yīng)用。
在過去的幾年里,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)、增強的電池識別系統(tǒng)(E-CID)和到達時的觀測時間距離(OTDOA),蜂窩定位的準確性大大提高。
專業(yè)知識 : 基于CELL的距離測量的最大優(yōu)點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)上運行。此外,大多數(shù)全球人口至少擁有一個帶CELL設(shè)備的智能設(shè)備,因此部署只需要一個移動應(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通過添加參考數(shù)據(jù),例如rss級別和用于三角定位和計算位置坐標的rtt信息,提高了CID的準確性。e-CID還能夠使用到達角信息來提高總體的準確性。通過這些技術(shù),目前基于LTE的蜂窩協(xié)議(3/4G)能夠在室外環(huán)境中測量到5-10米的距離。如果你的手機丟了就足夠了,但對我們的用例來說不夠準確。
世界各地的許多電信公司都在積極部署新的5G手機網(wǎng)絡(luò),5G具有性能特點,可以成為下一代社交遠程平臺的優(yōu)秀候選人。進一步測試我們的用例將證實這一點,但是考慮到5G部署狀態(tài),我們的項目沒有考慮到它。
5G包括MM波通信、設(shè)備對設(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)是基于對三角測量和到達差異角的驗證。模擬結(jié)果表明,在室內(nèi)18x16米的區(qū)域內(nèi),三角驗證法和ADAA法可分別達到85%和70%的準精度。實現(xiàn)卡爾曼濾波算法可以進一步提高定位精度.
下一代5G技術(shù)還將使定向或線性陣列天線成為可能,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)議和到達時間的基本原則來測量位置。
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。雖然未來的5G的一代人正在實現(xiàn)亞標尺距離的準確性--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,以滿足我們的需要。5G對于室內(nèi)定位的適用性還沒有得到檢驗。
Uwb
與藍牙和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,但它有一些獨特的特性,使其成為我們的社交距離項目以及未來室內(nèi)定位使用案例的優(yōu)秀候選人。
專業(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)保持厘米級的測量精度。超寬帶測量精度可以根據(jù)用例將距離精度降至5-10厘米。由于其獨特的特性,如高時域分辨率、多徑免疫性、低成本實現(xiàn)、低功耗、良好的穿透率和寬帶超寬帶信號(至少500兆赫由聯(lián)邦通信委員會指定),脈沖超寬帶無線電技術(shù)能夠在時域產(chǎn)生非常短的高斯脈沖,與其他無線射頻技術(shù)相比,它具有一些優(yōu)勢。它的寬帶也使它對多徑傳播和窄帶干擾的抵抗力相對較好,因為這些類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)行在國家海洋法委員會環(huán)境。超寬帶是我們設(shè)計小形狀要素的一個關(guān)鍵優(yōu)勢,它使我們能夠使用較小的天線,因為它的工作頻率和射頻增加。 ?電路 更簡單,盡管?數(shù)據(jù)傳輸率 是更高的。
如何運作: 在超短波通信中,利用超短脈沖來通信數(shù)據(jù),從而能夠利用信號的飛行時間或時間對雙向距離進行高精度的估計。光譜密度越高,在多路徑環(huán)境中提供了更強的魯棒性,因此具有了更精確的測距(距離測量)能力。
作為超寬帶評價的一部分,我們提供了一個超寬帶低速率脈沖(LRP)芯片集。LRP的主要優(yōu)勢是比其他標準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通常會產(chǎn)生10-20mA?；贚RP的標準設(shè)備通常不用于遠程測距應(yīng)用,但最新的標準IEEE802.15.4Z使它們能夠在超低耗電模式下運行,同時使用我們在遠程計算中使用的雙程T自由度機制來實現(xiàn)安全測距能力。
在我們項目的第一階段,我們通常在20-30厘米的范圍內(nèi)測量超寬帶LRP的距離精度。對于明確的聯(lián)絡(luò)處環(huán)境,接近20厘米;對于國家海洋法法庭環(huán)境,接近30厘米。在下一個項目階段,將進一步調(diào)整距離的準確性和可靠性,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)脈沖無線電從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: 通過對距離測量的準確性、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、可伸縮性和降低對干擾敏感度等關(guān)鍵因素的評價,我們得出結(jié)論認為,在雷納斯公司的新芯片組中利用UWBLRP,是精確測量距離的最佳無線技術(shù)。
我們最終確定了社交遠程平臺,同時利用UL和UWB的組合。這給了我們超寬帶高精度的距離測量和一致性的優(yōu)勢,以及在當?shù)丨h(huán)境中對設(shè)備進行傳感時,BLE用于長期的近距離檢測的功率效率。在我們的應(yīng)用程序中,BAR還支持將歷史警報數(shù)據(jù)和實際距離測量數(shù)據(jù)推到移動應(yīng)用程序上。
下載文檔
