可以准确的评估社交距离可穿戴的技术探讨

社交距离是减少病毒接触的基石，它在减少病毒接触和传播的风险方面继续发挥着至关重要的作用。虽然世界卫生当局已经确定6英尺(2米)是一个安全距离,但设计帮助消费者提高社交距离意识和警报的设备已证明具有挑战性,因为其核心功能依赖于准确、低延迟距离测量。

在最近的一次合作中,ALTRACN与半导体公司Reesas合作,开发了一种智能的可穿戴设备/平台,并在超宽带技术的基础上建立了一个社交远程腕带原型。当在用户指定的"安全"距离内检测到第二个设备时,腕带会提醒穿戴者。本文分享了该项目的第一阶段的见解:评估无线协议以满足精确距离测量的要求,同时保持其他关键平台要求的平衡,如功率效率、尺寸和用户体验。

一个要求很多的小型设备

在这个项目中,我们的目标是创建一个嵌入式的社交远程平台,适合于可穿戴的应用,利用雷内塞集成电路技术。作为概念的证明,还设计和制造了基于该平台的腕带原型,以小批量展示功能(监测和警报)和社交远程使用案例中的用户体验。可穿戴的形式因素决定了对一种或多种无线技术的需求,其选择以一些基本要求为中心。

· 精确的距离测量-用于准确的警报和没有错误的警报. 到目前为止,对于我们的用例来说,选择无线协议的最重要的标准是其测量距离的能力,其精确度能够区分安全和不安全的距离。测量精度也是消除(或严重减少)不精确距离测量引起的错误警报数量的关键。接收到的警报可能或不可能等同于不安全的距离,使用户难以解读真实的和不安全的。假的威胁。

· 物质环境的影响。 无线协议应该受到典型使用场景的物理环境的最小影响。换句话说,该设备需要能够提供准确和可重复的测量数据,无论是室内还是室外的,在视线范围内还是在非联络处的情况下,以及在动态环境中,比如那些有许多移动物体或改变联络处的环境中。

· 低延迟期。 为了有效,从威胁检测到用户警报的反应时间必须足够快,用户有时间采取预防行动和/或必要的预防措施。

· 形式因素。 在可穿戴设备中,无线技术必须是轻量级和小型的。

· 电力效率。 可穿戴是电池操作的,但D 一个物体,一个人,一个信号,等等。-通常涉及传感器,不知道其功率效率的组件。对于我们的用例,至关重要的是设计一个具有非凡功率的无线解决方案,在所有的操作模式,提供预期的电池寿命之间的充电。

· 可伸缩性。 根据定义,一个社交距离使用案例涉及多个人,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。

一般而言,每一项无线技术都支持使用某种组合信号捕获(使用基于时间、角位置或接收信号的方法)和定位技术(使用三角测量或三方测量方法)进行距离和位置测量。

评估无线技术

我们评估了几种商业上可用的无线协议,以评估它们能在多大程度上满足我们对社交可穿戴距离的要求。我们的候选人包括Wi-Fi、手机、蓝牙低能量(BLE)和超宽带(UWB)。一般而言,每个协议已知的距离/位置精度规格消除了许多协议,但这里值得注意的一些优点。

Wi-Fi

我们先看Wi-Fi,仅仅因为它无处不在。该系统广泛部署在室内环境中,对于建筑物内部,特别是在机场、小巷和停车场等复杂结构中,或在全球定位系统和其他卫星技术可能无法提供或提供低精度的地下地点,使其成为一种有希望的解决办法。

专业: 由于广泛采用Wi-Fi和方便地建立Wi-Fi网络,可以以非常低的成本和精力快速部署解决方案,以供用户定位。此外,随着基于Wi-Fi的室内定位的最新进展,Wi-Fi可以提供更可靠和更精确的定位服务(比旧的Wi-Fi技术),适合一些社交远程应用。

如何运作: 在Wi-Fi系统中,无线发射机(称为无线接入点)需要传输无线电信号,以便在其覆盖范围内与用户设备进行通信。支持室内定位的最常见和最简单的方法是根据用户设备信号的接收信号强度指示器来计算用户的位置。RSSI的精确度在10+米范围内,约降至1-3米。75-85%的时间使用更新的Wi-Fi双程时间(rtt)技术。

摘要: 随着无线无线网络的发展,如RTT,定位系统的精确性有了很大的提高,使其被许多室内定位应用所采用。但距离精度降至1米仍不足以满足我们的社交距离使用情况。此外,Wi-Fi在动态和复杂的室内环境中可能不起作用,这是由于NLS环境的影响,在那里,信号可能会被障碍阴影或人散布。

基于WIFI的技术也主要用于室内和室内邻近环境,因为它需要若干本地化的APS,这些APS可能无法在室内-室外环境中提供无缝过渡,或者在室外环境中是可行的。Wi-FiAPS还需要额外的基础设施,如电源和不受元素影响的保护,使其部署更加复杂。

BLE

随着蓝牙设备在室内和室外环境中的爆炸性增长,我们也考虑了可用于我们的解决方案的技术。

专业: BLE用于短距离无线通信(2.4到2.485千兆赫);与Wi-Fi相比,它的定位技术有几个优点。BL信号的采样率较高(即:提供更多的数据来估计距离。BL技术也具有更高的功率效率,因此更适合于可穿戴设备。大多数智能设备都可以获得BL信号,而Wi-Fi信号只能从APS上获得。最后,BL信标能够以电池为动力,因此比Wi-Fi接入点更灵活,更容易部署。

如何运作: 蓝牙定位被认为是室内和室内(室外天井、甲板等)的一种实用方法。)环境。室内定位方案收集rssi测量数据,利用三角测量机制和其他蓝牙设备的数据来检测用户的位置。

尽管基于BLE的室内定位比类似的Wi-Fi定位系统能获得更好的性能,但是BAR技术受到快速褪色和干扰的严重影响,导致在检测另一种设备时距离精度低。BL广告渠道、人的运动和人的障碍也对准确性产生很大影响。提出的提高精度的方法已达到2米.

概括的 :蓝牙技术在一些社交远程应用中很有前途,它没有为我们的社交远程可穿戴性提供一致性和精确度的测量。还探讨了将蓝牙和Wi-Fi技术相结合的问题,但这也没有产生所需的准确性。

CELL

如今广泛部署的蜂窝网络基础设施可用于帮助在室外环境中定位一个人(或更准确地说,一个活动的模拟或电子模拟智能设备)。尽管在室内环境中可以使用蜂窝连接,但目前还不能为我们的用例提供准确、可靠或足够快的测量数据。社交距离在室内和室外环境中都是相关的,因此我们对蜂窝本地化的讨论继续侧重于户外应用。

在过去的几年里,我们看到了蜂窝技术的巨大发展,其中一些使得它成为定位应用中的一个关键选择。随着目前的蜂窝网络支持辅助全球定位系统(GPS)、增强的电池识别系统(E-CID)和到达时的观测时间距离(OTDOA),蜂窝定位的准确性大大提高。

专业知识 : 基于CELL的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;它可以在现有的网络上运行。此外,大多数全球人口至少拥有一个带CELL设备的智能设备,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能力。

如何运作: 在室外环境中,CELL定位技术使用上述算法,即a-gps、e-cid和Otdoa。在这里,e-CID通过添加参考数据,例如rss级别和用于三角定位和计算位置坐标的rtt信息,提高了CID的准确性。e-CID还能够使用到达角信息来提高总体的准确性。通过这些技术,目前基于LTE的蜂窝协议(3/4G)能够在室外环境中测量到5-10米的距离。如果你的手机丢了就足够了,但对我们的用例来说不够准确。

世界各地的许多电信公司都在积极部署新的5G手机网络,5G具有性能特点,可以成为下一代社交远程平台的优秀候选人。进一步测试我们的用例将证实这一点,但是考虑到5G部署状态,我们的项目没有考虑到它。

5G包括MM波通信、设备对设备通信和超密集网络等关键技术,这些技术有助于提高其高精度定位能力。利用MM波通信的定位技术是基于对三角测量和到达差异角的验证。模拟结果表明,在室内18x16米的区域内,三角验证法和ADAA法可分别达到85%和70%的准精度。实现卡尔曼滤波算法可以进一步提高定位精度.

下一代5G技术还将使定向或线性阵列天线成为可能,这将有助于使基于纤维的定位技术也能用于室内应用。在这里,使用了农产品协议和到达时间的基本原则来测量位置。

摘要: 适用于电池网络基础设施充分部署的室外环境,现有的3/4G蜂窝协议只能提供10米的距离精度,不适合我们的用例。虽然未来的5G的一代人正在实现亚标尺距离的准确性--可能是低的新技术--部署覆盖率目前还不足以使5G的解决方案成为可行的选择,以满足我们的需要。5G对于室内定位的适用性还没有得到检验。

Uwb

与蓝牙和Wi-Fi不同,UWB的工作频率范围很广,从3.1千兆赫到106千兆赫不等。虽然U世行的部署不如其他协议那么广泛,但它有一些独特的特性,使其成为我们的社交距离项目以及未来室内定位使用案例的优秀候选人。

专业:UWB可用于捕捉高度精确的空间和方向数据,并可在短至中距离范围内保持厘米级的测量精度。超宽带测量精度可以根据用例将距离精度降至5-10厘米。由于其独特的特性,如高时域分辨率、多径免疫性、低成本实现、低功耗、良好的穿透率和宽带超宽带信号(至少500兆赫由联邦通信委员会指定),脉冲超宽带无线电技术能够在时域产生非常短的高斯脉冲,与其他无线射频技术相比,它具有一些优势。它的宽带也使它对多径传播和窄带干扰的抵抗力相对较好,因为这些类型的干扰只影响部分光谱。

UWB具有良好的渗透性,在固体材料,如墙壁和其他结构,因此它可以更一致地执行在国家海洋法委员会环境。超宽带是我们设计小形状要素的一个关键优势,它使我们能够使用较小的天线,因为它的工作频率和射频增加。  电路 更简单,尽管 数据传输率 是更高的。

如何运作: 在超短波通信中,利用超短脉冲来通信数据,从而能够利用信号的飞行时间或时间对双向距离进行高精度的估计。光谱密度越高,在多路径环境中提供了更强的鲁棒性,因此具有了更精确的测距(距离测量)能力。

作为超宽带评价的一部分,我们提供了一个超宽带低速率脉冲(LRP)芯片集。LRP的主要优势是比其他标准UWB解决方案低10倍的耗电量,因此是适合我们电池操作的可穿戴性的理想选择。例如,在传输模式下,典型的超宽带高速率脉冲(HRP)的功率消耗范围从100-120mA不等,在那里,超宽带LRP通常会产生10-20mA。基于LRP的标准设备通常不用于远程测距应用,但最新的标准IEEE802.15.4Z使它们能够在超低耗电模式下运行,同时使用我们在远程计算中使用的双程T自由度机制来实现安全测距能力。

在我们项目的第一阶段,我们通常在20-30厘米的范围内测量超宽带LRP的距离精度。对于明确的联络处环境,接近20厘米;对于国家海洋法法庭环境,接近30厘米。在下一个项目阶段,将进一步调整距离的准确性和可靠性,以接近所需的10厘米。

相比较于BL和Wi-Fi,UWB工作在短突发脉冲无线电从TX到RX。由于不需要解码或调制,这与它的宽带相结合,将延迟降低到子MS。

摘要: 通过对距离测量的准确性、可靠性、形式因数/尺寸、典型部署环境下的性能、延迟、低功耗、可伸缩性和降低对干扰敏感度等关键因素的评价,我们得出结论认为,在雷纳斯公司的新芯片组中利用UWBLRP,是精确测量距离的最佳无线技术。

我们最终确定了社交远程平台,同时利用UL和UWB的组合。这给了我们超宽带高精度的距离测量和一致性的优势,以及在当地环境中对设备进行传感时,BLE用于长期的近距离检测的功率效率。在我们的应用程序中,BAR还支持将历史警报数据和实际距离测量数据推到移动应用程序上。