Wenn es auf Genauigkeit ankommt:Bewertung von Technologien für ein Wearable mit sozialer Distanzierung

Soziale Distanzierung ist ein Eckpfeiler der Eindämmung von COVID-19; es spielt weiterhin eine wichtige Rolle bei der Verringerung des Risikos einer Virusexposition und -verbreitung. Während die Weltgesundheitsbehörden festgestellt haben, dass 2 Meter (6 Fuß) ein sicherer Abstand sind, hat sich die Entwicklung von Geräten zur Unterstützung der Verbraucher bei der Wahrnehmung sozialer Distanz und Warnungen als Herausforderung erwiesen, da ihre Kernfunktionalität auf genauen Entfernungsmessungen mit geringer Latenz beruht.

In einer kürzlich durchgeführten Zusammenarbeit hat Altran mit dem Halbleiterunternehmen Renesas zusammengearbeitet, um ein intelligentes tragbares Gerät/eine Plattform zu entwickeln und einen Prototyp für ein soziales Distanzierungsarmband basierend auf der Ultrabreitband-Technologie (UWB) zu entwickeln. Das Armband warnt den Träger, wenn ein zweites Gerät innerhalb einer vom Benutzer festgelegten „sicheren“ Entfernung erkannt wird. In diesem Artikel werden Erkenntnisse aus Phase eins dieses Projekts geteilt:der Prozess der Bewertung von drahtlosen Protokollen, um die Anforderungen für eine genaue Entfernungsmessung zu erfüllen und gleichzeitig andere wichtige Plattformanforderungen wie Energieeffizienz, Größe und Benutzererfahrung im Gleichgewicht zu halten.

Ein kleines Gerät mit vielen Anforderungen

In diesem Projekt war es unser Ziel, eine eingebettete Social-Distancing-Plattform zu schaffen, die für tragbare Anwendungen geeignet ist und die IC-Technologien von Renesas nutzt. Als Machbarkeitsnachweis wurde auch ein auf dieser Plattform basierender Armband-Prototyp entwickelt und in geringer Stückzahl hergestellt, um die Funktionalität (Überwachung und Warnungen) und die Benutzererfahrung in einem Anwendungsfall sozialer Distanzierung zu demonstrieren (Abbildung 1).

Abbildung 1. Ein Armband-Prototyp warnt den Träger, wenn ein zweites Gerät in einem vom Benutzer festgelegten Sicherheitsabstand erkannt wird. (Quelle:Altran)

Ein tragbarer Formfaktor erforderte eine oder mehrere drahtlose Technologien, deren Auswahl sich auf einige grundlegende Anforderungen konzentrierte.

• Genaue Entfernungsmessung – für genaue Warnungen und keine Fehlwarnungen. Für unseren Anwendungsfall ist das mit Abstand wichtigste Kriterium für die Auswahl eines drahtlosen Protokolls seine Fähigkeit, Entfernungen mit einer Genauigkeit zu messen, die zwischen sicheren und unsicheren Entfernungen unterscheiden kann. Die Messgenauigkeit ist auch der Schlüssel zur Eliminierung (oder erheblichen Reduzierung) der Anzahl von Fehlalarmen, die durch ungenaue Entfernungsmessungen verursacht werden. Das Erhalten von Warnungen, die einer unsicheren Distanzierung entsprechen können oder nicht, macht es für Benutzer schwierig, echte und falsche Bedrohungen zu entziffern.
• Die Auswirkungen der physischen Umgebung. Das drahtlose Protokoll sollte durch die physische Umgebung typischer Anwendungsszenarien minimal beeinflusst werden. Mit anderen Worten, das Gerät muss in der Lage sein, genaue und wiederholbare Messungen zu liefern, unabhängig davon, ob es im Innen- oder Außenbereich, in Sichtlinien- (LOS) oder Nicht-LOS-Situationen (NLOS) und in dynamischen Umgebungen verwendet wird, z. B. in solchen mit vielen sich bewegende Objekte oder die Sichtlinie ändern.
• Niedrige Latenz. Um effektiv zu sein, muss die Reaktionszeit zwischen Bedrohungserkennung und Benutzerwarnung schnell genug sein, damit der Benutzer Zeit hat, vorbeugende Maßnahmen und/oder erforderliche Vorsichtsmaßnahmen zu ergreifen.
• Formfaktor. In einem tragbaren Gerät muss die drahtlose Technologie leicht und klein sein.
• Energieeffizienz. Wearables sind batteriebetrieben, aber die Erkennung – eines Objekts, einer Person, eines Signals usw. – umfasst typischerweise Sensoren, Komponenten, die nicht für ihre Energieeffizienz bekannt sind. Für unseren Anwendungsfall war es entscheidend, eine drahtlose Lösung mit außergewöhnlicher Energieeffizienz in allen Betriebsmodi zu entwickeln, um die erwartete Akkulaufzeit zwischen den Ladevorgängen zu gewährleisten.
• Skalierbarkeit. Ein Anwendungsfall zur sozialen Distanzierung umfasst per Definition mehrere Personen und oft Menschenmengen, daher muss die drahtlose Lösung in der Lage sein, eine zuverlässige und genaue Entfernungsmessung für mehrere gleichzeitige Ziele bereitzustellen.

Im Allgemeinen unterstützt jede drahtlose Technologie die Entfernungs- und Standortmessung mit einer Kombination aus Signalerfassung (mit Hilfe von zeitbasierten, Winkelpositions- oder empfangenen Signalmethoden) und Positionierungstechniken (mit Triangulations- oder Trilaterationsmethoden) (Abbildung 2).

Abbildung 2:Typische Entfernungs-/Ortsmesstechnik. (Quelle:Altran)

Evaluierung von drahtlosen Technologien

Wir haben mehrere kommerziell erhältliche drahtlose Protokolle evaluiert, um zu beurteilen, wie gut sie unsere Anforderungen an ein Wearable mit sozialer Distanzierung erfüllen könnten. Zu unseren Kandidaten gehörten Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth Low Energy (BLE) und Ultrabreitband (UWB). Im Allgemeinen haben die bekannten Entfernungs-/Positionsgenauigkeitsspezifikationen jedes Protokolls viele Protokolle eliminiert (Abbildung 3), aber hier gibt es Vorzüge, die es wert sind, erwähnt zu werden.

Abbildung 3. Genauigkeit der Entfernungsmessung typischer drahtloser Technologien. (Quelle:Altran, unter Verwendung veröffentlichter Referenzen [1])

WLAN

Wir haben uns zuerst Wi-Fi angesehen, einfach wegen seiner Allgegenwart. Sein breiter Einsatz in Innenräumen machte es zu einer vielversprechenden Lösung für den Anwendungsfall soziale Distanzierung in Gebäuden, insbesondere in komplexen Strukturen wie Flughäfen, Gassen und Parkhäusern oder unterirdischen Standorten, an denen GPS und andere Satellitentechnologien möglicherweise nicht verfügbar sind oder eine geringe Genauigkeit bieten .

Vorteile: Aufgrund der weit verbreiteten Einführung von Wi-Fi und der bequemen Einrichtung von Wi-Fi-Netzwerken konnten Lösungen für die Benutzerpositionierung mit sehr geringem Kosten- und Arbeitsaufwand schnell bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann Wi-Fi dank der jüngsten Fortschritte bei der Wi-Fi-basierten Indoor-Positionierung zuverlässige und genauere Standortdienste (als ältere Wi-Fi-Technologie) bereitstellen, die für einige Anwendungen zur sozialen Distanzierung geeignet sind.

So funktioniert es: In einem Wi-Fi-System ist ein drahtloser Sender, bekannt als drahtloser Zugangspunkt (AP), erforderlich, um Funksignale zu übertragen, um mit Benutzergeräten in seinem Abdeckungsbereich zu kommunizieren. Die gebräuchlichste und einfachste Methode zur Unterstützung der Indoor-Positionierung besteht darin, den Standort des Benutzers basierend auf dem Indikator der empfangenen Signalstärke (RSSI) der Signale vom Benutzergerät zu berechnen. Die RSSI-Genauigkeit liegt im Bereich von 10+ Metern, reduziert auf ca. 1-3 Meter. 75-85 % der Zeit bei Verwendung der neueren Wi-Fi-Round-Trip-Time-(RTT-)Technologie.

Zusammenfassung: Mit den aktuellen Fortschritten von Wi-Fi, wie z. B. RTT, hat sich die Genauigkeit von Lokalisierungssystemen erheblich verbessert, was zu ihrer Akzeptanz für viele Indoor-Positionierungsanwendungen geführt hat. Aber eine Entfernungsgenauigkeit von bis zu 1 Meter ist für unseren Anwendungsfall sozialer Distanzierung immer noch unzureichend. Darüber hinaus ist Wi-Fi in dynamischen und komplizierten Innenumgebungen aufgrund der Auswirkungen von NLOS-Umgebungen möglicherweise nicht effektiv, in denen Signale durch Hindernisschatten oder Personen gestreut werden können.

Wi-Fi-basierte Technologie wird auch hauptsächlich für Innen- und Innenumgebungen verwendet, da sie mehrere APs für die Lokalisierung erfordert, die möglicherweise keine nahtlosen Übergänge in Innen-Außenumgebungen bieten oder in Außenumgebungen machbar sind. Wi-Fi-APs erfordern auch zusätzliche Infrastruktur wie Strom und Schutz vor Witterungseinflüssen, was die Bereitstellung komplexer macht.

BLE

Mit dem explosionsartigen Wachstum von Bluetooth-fähigen Geräten sowohl im Innen- als auch im Außenbereich haben wir auch die BLE-Technologie für unsere Lösung in Betracht gezogen.

Vorteile: BLE wird für drahtlose Kurzstreckenkommunikation (2,4 bis 2,485 GHz) verwendet; und seine Lokalisierungstechnologie hat im Vergleich zu Wi-Fi mehrere Vorteile. BLE-Signale haben eine höhere Abtastrate (d. h. 0,25 Hz bis 2 Hz), wodurch mehr Daten zur Abschätzung der Entfernung bereitgestellt werden. Die BLE-Technologie ist auch energieeffizienter und daher besser für tragbare Geräte geeignet. Und BLE-Signale können von den meisten Smart-Geräten empfangen werden, während Wi-Fi-Signale nur von APs empfangen werden können. Schließlich können BLE-Beacons batteriebetrieben werden und sind daher flexibler und einfacher zu implementieren als Wi-Fi-Zugriffspunkte.

So funktioniert es: Bluetooth-basierte Lokalisierung gilt als praktischer Ansatz in Innen- und Innenumgebungen (Außenterrassen, Terrassen usw.). Indoor-Lokalisierungsschemata sammeln RSSI-Messungen, um den Standort des Benutzers zu erkennen, indem sie den Triangulationsmechanismus mit Daten von anderen Bluetooth-Geräten verwenden.

Obwohl die BLE-basierte Indoor-Lokalisierung eine bessere Leistung erzielen kann als ähnliche Wi-Fi-Lokalisierungssysteme, wird die BLE-Technologie stark durch schnelles Fading und Interferenzen beeinflusst, was zu einer geringen Entfernungsgenauigkeit bei der Erkennung eines anderen Geräts führt. Die Genauigkeit wird auch stark durch BLE-Werbekanäle, menschliche Bewegungen und menschliche Hindernisse beeinflusst. Die vorgeschlagenen Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit haben Ergebnisse von bis zu 2 Metern erzielt.

Zusammenfassung :Für einige Anwendungen zur sozialen Distanzierung vielversprechend, bot die Bluetooth-Technologie nicht die Konsistenz und Genauigkeit der Entfernungsmessung für unser Wearable zur sozialen Distanzierung. Die Kombination von Bluetooth- und Wi-Fi-Technologien wurde ebenfalls untersucht, aber auch dies führte nicht zu der erforderlichen Genauigkeit.

Mobilfunk

Die heute weit verbreitete Mobilfunknetzinfrastruktur kann verwendet werden, um eine Person (oder genauer gesagt ein aktives SIM- oder E-SIM-fähiges intelligentes Gerät) in einer Außenumgebung zu lokalisieren. Obwohl die Mobilfunkkonnektivität in Innenräumen verfügbar ist, liefert sie derzeit keine genauen, zuverlässigen oder schnell genug Messungen für unseren Anwendungsfall. Soziale Distanzierung ist sowohl im Innen- als auch im Außenbereich relevant, daher konzentriert sich unsere Diskussion über die Mobilfunklokalisierung weiterhin auf Anwendungen im Freien.

In den letzten Jahren haben wir ein enormes technologisches Wachstum in der Mobilfunktechnologie erlebt, was sie zum Teil zu einem wichtigen Kandidaten für den Einsatz in Standortbestimmungsanwendungen macht. Mit aktuellen Mobilfunknetzen, die Assisted GPS (A-GPS), Enhanced Cell ID (E-CID) und Observed Time Distance of Arrival (OTDOA) unterstützen, hat sich die Standortgenauigkeit des Mobilfunks erheblich verbessert.

Profis : Einer der größten Vorteile der zellularbasierten Entfernungsmessung besteht darin, dass keine zusätzliche Hardware-Infrastruktur erforderlich ist. es kann in bestehenden Netzwerken betrieben werden. Darüber hinaus besitzt der Großteil der Weltbevölkerung mindestens ein mit Mobilfunk ausgestattetes Smart-Gerät, sodass für die Bereitstellung nur eine mobile App und eine gewisse Datenverarbeitungskapazität im Netzwerk erforderlich sind.

So funktioniert es: In Außenumgebungen verwenden zellulare Lokalisierungstechniken die oben erwähnten Algorithmen, nämlich A-GPS, E-CID und OTDOA. Hier verbessert E-CID die CID-Genauigkeit, indem Referenzdaten wie RSS-Pegel und RTT-Informationen hinzugefügt werden, die zur Triangulation und Berechnung von Standortkoordinaten verwendet werden. E-CID ist auch in der Lage, Informationen über den Einfallswinkel (AoA) zu verwenden, um die Gesamtgenauigkeit zu verbessern. Durch diese Techniken sind aktuelle LTE-basierte Mobilfunkprotokolle (3/4G) in der Lage, Entfernungsmessungen im Außenbereich bis zu einer Reichweite von 5-10 Metern genau zu messen. Ausreichend, wenn Sie Ihr Telefon verlieren, aber nicht genau genug für unseren Anwendungsfall.

Viele Telekommunikationsunternehmen weltweit setzen aktiv neue 5G-Mobilfunknetze ein, und 5G weist Leistungsmerkmale auf, die es zu einem ausgezeichneten Kandidaten für Social-Distancing-Plattformen der nächsten Generation machen könnten. Weitere Tests für unseren Anwendungsfall werden dies bestätigen, aber angesichts des Stands der 5G-Bereitstellung wurde dies für unser Projekt nicht in Betracht gezogen.

5G umfasst Schlüsseltechnologien wie mmWave-Kommunikation, Device-to-Device (D2D)-Kommunikation und ultradichte Netzwerke (UDNs), die zu seiner Fähigkeit zur hochpräzisen Lokalisierung beitragen. Positionierungstechniken, die die mmWave-Kommunikation nutzen, basieren auf der Validierung von Triangulationsmessungen und dem Ankunftswinkel (ADOA). Simulationen zeigen, dass Triangulate-Validate- und ADOA-Methoden mit einer Wahrscheinlichkeit von 85 % bzw. 70 % in einem Innenbereich von 18 x 16 m eine Genauigkeit im Submeterbereich erreichen [2]. Die Lokalisierungsgenauigkeit kann durch die Implementierung von Kalman-Filteralgorithmen weiter verbessert werden.

Die 5G-Technologien der nächsten Generation werden auch gerichtete oder lineare Array-Antennen ermöglichen, was dazu beitragen wird, zellularbasierte Ortungstechniken auch für Indoor-Anwendungen praktikabel zu machen. Hier werden die Grundprinzipien von AoA und Time of Arrival (ToA) zur Standortmessung verwendet.

Zusammenfassung: Geeignet für Umgebungen im Freien, in denen die Mobilfunkinfrastruktur vollständig bereitgestellt ist, können vorhandene 3/4G-Mobilfunkprotokolle nur eine Genauigkeit von bis zu 10 Metern liefern, was für unseren Anwendungsfall ungeeignet ist. Während zukünftige Generationen von 5G auf dem besten Weg sind, eine Genauigkeit im Submeterbereich zu erreichen – möglicherweise niedriger mit neuen Techniken –, reicht die Bereitstellungsabdeckung derzeit nicht aus, um 5G-Lösungen zu einer praktikablen Wahl für unseren Bedarf zu machen. Und die Eignung von 5G für die Indoor-Lokalisierung ist noch nicht getestet.

UWB

Im Gegensatz zu seinen Bluetooth- und Wi-Fi-Gegenstücken arbeitet UWB mit einem breiten Spektrum von GHz-Frequenzen von 3,1 bis 10,6 GHz. Obwohl UWB nicht so weit verbreitet ist wie die anderen Protokolle, hat es einige einzigartige Eigenschaften, die es zu einem ausgezeichneten Kandidaten für unser Projekt zur sozialen Distanzierung sowie für zukünftige Anwendungsfälle zur Positionierung in Innenräumen gemacht haben.

Vorteile: UWB kann verwendet werden, um hochgenaue Raum- und Richtungsdaten zu erfassen und kann eine Messgenauigkeit im Zentimeterbereich in kurzen bis mittleren Entfernungsbereichen aufrechterhalten. Die UWB-Messgenauigkeit kann je nach Anwendungsfall eine Entfernungsgenauigkeit von 5-10 cm erreichen. Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wie hohe Zeitbereichsauflösung, Immunität gegen Mehrwege, kostengünstige Implementierung, geringer Stromverbrauch, gute Durchdringung und UWB-Signale mit großer Bandbreite (mindestens 500 MHz gemäß FCC-Spezifikation) hat die Impulsfunk-UWB-Technologie die Fähigkeit, im Zeitbereich Gaußsche Pulse von sehr kurzer Dauer zu erzeugen, was einige Vorteile im Vergleich zu anderen drahtlosen HF-Technologien ermöglicht. Seine große Bandbreite verleiht ihm auch eine vergleichsweise bessere Immunität gegenüber Mehrwegeausbreitung und schmalbandigen Störungen, die in anderen Kommunikationstechnologien vorherrschen, da diese Arten von Störungen nur einen Teil des Spektrums betreffen.

UWB hat eine gute Penetration in feste Materialien wie Wände und andere Strukturen, sodass es in NLOS-Umgebungen konsistenter funktionieren kann. Ein entscheidender Vorteil unseres Designs mit kleinem Formfaktor ist, dass wir dank UWB aufgrund der höheren Betriebsfrequenz kleinere Antennen verwenden konnten und die HF-Schaltung einfacher war, obwohl die Datenübertragungsraten höher sind.

So funktioniert es: Bei der UWB-Kommunikation werden ultrakurze Pulse verwendet, um die Daten zu übermitteln, was eine hochpräzise Schätzung einer Zwei-Wege-Distanz anhand der Flugdauer (TOF) der Signale ermöglicht. Je höher die spektrale Dichte ist, bietet mehr Robustheit in Mehrwegeumgebungen und damit genauere Reichweiten-(Entfernungsmessung)-Fähigkeiten.

Im Rahmen unserer UWB-Evaluierung wurde uns ein UWB-Low-Rate-Pulse (LRP)-Chipsatz von Renesas zur Verfügung gestellt. Der Hauptvorteil von LRP liegt in einem bis zu 10-mal geringeren Stromverbrauch als bei anderen Standard-UWB-Lösungen und war daher ideal für unser batteriebetriebenes Wearable geeignet. Im Sendemodus liegt der typische Stromverbrauch für UWB High-Rate Pulse (HRP) beispielsweise im Bereich von 100 – 120 mA, während UWB LRP typischerweise 10-20 mA zieht. Auf dem LRP-Standard basierende Geräte werden normalerweise nicht für Entfernungsmessanwendungen verwendet, aber der neueste Standard IEEE 802.15.4z ermöglicht ihnen den Betrieb im Modus mit extrem niedrigem Stromverbrauch und ermöglicht gleichzeitig sichere Entfernungsfunktionen mithilfe von Round-Trip-TOF-Mechanismen, die wir bei Entfernungsberechnungen verwendet haben.

In dieser ersten Phase unseres Projekts haben wir die Entfernungsgenauigkeit von UWB LRP in der Regel innerhalb von 20-30 cm gemessen. Für klare LOS-Umgebungen, näher an 20 cm; und für NLOS-Umgebungen näher an 30 cm. In der nächsten Projektphase werden sowohl die Distanzgenauigkeit als auch die Zuverlässigkeit weiter abgestimmt, um näher an den benötigten 10 cm zu kommen.

Im Vergleich zu BLE und Wi-Fi funktioniert UWB mit Short-Burst-Impulsfunk von Tx zu Rx. In Kombination mit seiner großen Bandbreite reduziert dies die Latenz auf unter ms, da keine Dekodierung oder Modulation erforderlich ist.

Zusammenfassung: Basierend auf einer Bewertung von Schlüsselfaktoren wie Genauigkeit der Entfernungsmessung, Zuverlässigkeit, Formfaktor/Größe, Leistung in der typischen Bereitstellungsumgebung, Latenz, geringer Stromverbrauch, Skalierbarkeit und geringere Störempfindlichkeit kamen wir zu dem Schluss, dass UWB LRP – im neuen Chipsatz von Renesas – war die beste drahtlose Technologie für die genaue Entfernungsmessung unseres Projekts zur sozialen Distanzierung.

Wir haben die Social-Distancing-Plattform unter Verwendung von BLE und UWB in Kombination fertiggestellt (Abbildung 4). Dies gab uns die Vorteile der hochpräzisen Entfernungsmessung und -konsistenz von UWB sowie die Energieeffizienz von BLE für die permanente Näherungserkennung bei der Erkennung eines Geräts in der lokalen Umgebung. In unserer Anwendung unterstützt BLE auch das Übertragen der historischen Warndaten und tatsächlichen Entfernungsmessungen an eine mobile App.

Abbildung 4:Die endgültige POC-Plattform verwendet eine Kombination aus BLE und UWB LRP für eine optimale Stromausnutzung. (Quelle:Altran)

Eine klare Wahl für ein sozial distanzierendes Armband