Ultra-Wideband für präzise Social-Distancing Wearables wählen

Social Distancing bleibt ein Eckpfeiler der COVID-19 Mitigation, und präzise, niedrig-latente Distanzmessung ist essenziell für jedes Wearable, das User alerten soll, wenn der empfohlene 6-Fuß (2-Meter) Puffer verletzt wird.

Altran partnerte mit Halbleiterführer Renesas, um eine intelligente Wristband Plattform zu schaffen, die Ultra-Wideband (UWB) Technologie nutzt. Dieser Artikel detailiert die erste Phase jener Kollaboration – Evaluation drahtloser Protokolle, um strikte Accuracy, Power, Size und User Experience Requirements zu treffen.

Ein kleines Device mit einer großen Requirements Liste

Unser Ziel war, eine kompakte Social-Distancing Plattform zu designen, die um Renesas' ICs gebaut werden konnte. Ein Low-Volume Wristband Prototyp demonstrierte Kernfunktionen – Monitoring, Alerts und Usability (Abbildung 1).

Abbildung 1. Wristband Prototyp, der den Träger alertet, wenn ein anderes Device innerhalb einer user-spezifizierten Safe Distance ist. (Quelle: Altran)

Ein Wearable Formfaktor diktierte die Notwendigkeit einer Wireless Lösung, die folgende Kriterien traf:

• Präzise Distanzmessung – Essenziell für zuverlässige Alerts und Elimination von False Positives.
• Robustheit zur Umwelt – Muss indoor und outdoor performen, in Line-of-Sight (LOS) und Non-LOS (NLOS) Bedingungen, und in dynamischen Settings mit bewegten Objekten.
• Niedrige Latenz – Alerts müssen schnell genug geliefert werden, damit der Träger reagieren kann.
• Kompaktheit – Der Wireless Stack muss in ein leichtes Wristband passen.
• Power Efficiency – Battery Life muss akzeptabel bleiben während kontinuierlichem Proximity Sensing.
• Skalierbarkeit – Das System sollte multiple simultane Targets in Crowds handlen.

Alle Wireless Technologien nutzen eine Kombination aus Signal Capture (zeitbasiert, winkelig, oder Received Signal Strength) und Positioning Techniken (Triangulation oder Trilateration) um Distanz oder Location zu schätzen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Typische Distanz/Location Mess Technik. (Quelle: Altran)

Wireless Technologien evaluieren

Wir untersuchten Wi-Fi, Cellular, Bluetooth Low Energy (BLE) und Ultra-Wideband (UWB). Veröffentlichte Accuracy Daten (Abbildung 3) eliminierten viele Protokolle für unseren Use Case, aber jedes bot noch bemerkenswerte Vorteile.

Abbildung 3. Distanzmessgenauigkeit typischer Wireless Technologien. (Quelle: Altran, using published references [1])

Wi-Fi

Wi-Fis Ubiquität und jüngste Round-Trip Time (RTT) Verbesserungen machen es attraktiv für Indoor Positioning. Doch selbst mit RTT erreicht typische RSSI-basierte Accuracy nur 1–3 m zu 75–85 % der Zeit und degradiert in NLOS oder hochreflektiven Umgebungen. Wi-Fi erfordert auch ein Netzwerk von Access Points, was nahtlose Indoor-to-Outdoor Transitions limitiert und Infrastrukturkomplexität hinzufügt.

BLE

BLE bietet niedrigen Power Consumption und einfaches Deployment via existierende Smart Devices. Seine höhere Sample Rate verbessert Distanzschätzung im Vergleich zu Wi-Fi, aber Fast Fading, Interferenz und menschliche Obstacles limitieren Accuracy in der Praxis auf ca. 2 m. BLE allein konnte die Sub-Meter Präzision nicht erfüllen, die für Social Distancing Alerts erforderlich ist.

Cellular

Outdoor Cellular Positioning (A-GPS, E-CID, OTDOA) liefert 5–10 m Accuracy mit aktuellen 3G/4G Netzwerken – insuffizient für unser Target. 5Gs mmWave, Device-to-Device und Ultra-Dense Networking versprechen Sub-Meter Accuracy, doch globale Coverage und Indoor Applicability bleiben derzeit limitiert.

UWB

UWB operiert über 3,1–10,6 GHz, liefert Zentimeter-level Distanz Accuracy durch High-Time-Domain Resolution und Immunität zu Multipath. Seine Short-Burst Impuls Signale bieten Sub-Millisecond Latency, und die breite Bandbreite mitigiert Narrowband Interferenz. Wichtig: UWBs hohe Penetration erlaubt zuverlässige NLOS Performance, und die höhere Operating Frequenz ermöglicht kleinere Antennen – kritisch für ein Wristband.

Renesas supplied einen Low-Rate Pulse (LRP) UWB Chipsatz, der 10–20 mA im Transmit Mode konsumiert versus 100–120 mA für High-Rate Lösungen. Leveraging IEEE 802.15.4z, supportet der LRP sicheres, Round-Trip Time-of-Flight Ranging während er ultra-low power bleibt. In Phase 1 erreichten wir 20–30 cm Accuracy in LOS/NLOS Umgebungen, mit weiterem Tuning erwartet, das 10 cm Ziel zu erreichen.

Kombination von BLE und UWB erlaubte uns, UWBs Präzision zu nutzen wenn ein Target detektiert wird, während BLE Low-Power Proximity Detection und Data Offloading zur Mobile App handhabte.

Abbildung 4: Final Proof-of-Concept Plattform kombinierend BLE und UWB LRP für optimale Power und Accuracy. (Quelle: Altran)

Eine klare Wahl für ein Social Distancing Wristband

Altran und Renesas demonstrierten, dass eine UWB-basierte Plattform die Accuracy, Latency und Power Efficiency liefert, die für zuverlässige Social-Distancing Wearables erforderlich sind. Die Architektur skaliert über ein Wristband hinaus zu jedem IoT Formfaktor, der präzises Indoor und Outdoor Positioning fordert, was es geeignet macht für Contact Tracing, Asset Tracking und darüber hinaus.

Referenzen

[1] Wireless Protocol Distance Accuracy Data:

• Wi-Fi
• BLE
• GNSS
• Cellular
• UWB

[2] Simulationsergebnisse