Quando a precisão é importante:avaliando tecnologias para um wearable de distanciamento social

Figura 2:Técnica típica de medição de distância / localização. (Fonte:Altran)

Avaliação de tecnologias sem fio

Avaliamos vários protocolos sem fio disponíveis comercialmente para avaliar o quão bem eles poderiam atender aos nossos requisitos para um wearable de distanciamento social. Nossos candidatos incluíam Wi-Fi, celular, Bluetooth de baixa energia (BLE) e banda ultralarga (UWB). Em geral, as especificações de distância / precisão posicional conhecidas de cada um eliminaram muitos protocolos (Figura 3), mas há méritos a serem observados aqui.

Figura 3. Precisão de medição de distância de tecnologias sem fio típicas. (Fonte:Altran, usando referências publicadas [1])

Wi-Fi

Vimos o Wi-Fi primeiro, simplesmente por causa de sua onipresença. Sua ampla implantação em ambientes internos tornou-o uma solução promissora para o caso de uso de distanciamento social dentro de edifícios, particularmente em estruturas complexas como aeroportos, becos e garagens de estacionamento ou locais subterrâneos onde GPS e outras tecnologias de satélite podem não estar disponíveis ou fornecer baixa precisão .

Prós: Devido à ampla adoção de Wi-Fi e à conveniência de configurar redes Wi-Fi, as soluções podem ser implantadas rapidamente para o posicionamento do usuário com custo e esforço muito baixos. Além disso, com os avanços recentes no posicionamento interno baseado em Wi-Fi, o Wi-Fi pode fornecer serviços de localização confiáveis ​​e mais precisos (do que a tecnologia Wi-Fi mais antiga) adequados para alguns aplicativos de distanciamento social.

Como funciona: Em um sistema Wi-Fi, um transmissor sem fio, conhecido como ponto de acesso sem fio (AP), é necessário para transmitir sinais de rádio para se comunicar com os dispositivos do usuário em sua área de cobertura. A maneira mais comum e fácil de apoiar o posicionamento interno é calcular a localização do usuário com base no indicador de intensidade do sinal recebido (RSSI) de sinais do dispositivo do usuário. A precisão RSSI está na faixa de 10+ metros, reduzida para 1-3 metros aproximadamente. 75-85% do tempo ao utilizar a tecnologia mais recente de tempo de ida e volta (RTT) de Wi-Fi.

Resumo: Com os avanços atuais do Wi-Fi, como o RTT, a precisão dos sistemas de localização melhorou significativamente, resultando em sua adoção para muitas aplicações de posicionamento interno. Mas a precisão da distância de até 1 metro ainda é insuficiente para nosso caso de uso de distanciamento social. Além disso, o Wi-Fi pode não ser eficaz em ambientes internos dinâmicos e complicados devido aos efeitos dos ambientes NLOS, onde os sinais podem ser dispersos por sombras de obstáculos ou pessoas.

A tecnologia baseada em Wi-Fi também é usada principalmente para ambientes internos e internos adjacentes, uma vez que requer vários APs para localização que podem não fornecer transições contínuas em ambientes internos-externos ou ser viável em ambientes externos. Os pontos de acesso Wi-Fi também exigem infraestrutura adicional, como energia e proteção contra os elementos, o que os torna mais complexos de implantar.

BLE

Com o crescimento explosivo de dispositivos habilitados para Bluetooth em ambientes internos e externos, também consideramos a tecnologia BLE para nossa solução.

Prós: BLE é usado para comunicações sem fio de curto alcance (2,4 a 2,485 GHz); e sua tecnologia de localização tem várias vantagens quando comparada ao wi-fi. Os sinais BLE têm uma taxa de amostragem mais alta (ou seja, 0,25 Hz a 2 Hz), fornecendo mais dados para estimar a distância. A tecnologia BLE também é mais eficiente em termos de energia, portanto, mais adequada para dispositivos vestíveis. E os sinais BLE podem ser obtidos da maioria dos dispositivos inteligentes, enquanto os sinais Wi-Fi podem ser obtidos apenas dos APs. Por fim, os beacons BLE podem ser alimentados por bateria e, portanto, são mais flexíveis e fáceis de implantar do que os pontos de acesso wi-fi.

Como funciona: A localização baseada em Bluetooth é considerada uma abordagem prática em ambientes internos e internos adjacentes (pátios externos, decks, etc.). Os esquemas de localização interna coletam medições RSSI para detectar a localização do usuário usando o mecanismo de triangulação com dados de outros dispositivos Bluetooth.

Mesmo que a localização interna baseada em BLE possa alcançar melhor desempenho do que sistemas de localização Wi-Fi semelhantes, a tecnologia BLE é fortemente afetada pelo desbotamento rápido e interferência levando a uma precisão de baixa distância ao detectar outro dispositivo. A precisão também é fortemente afetada por canais de publicidade BLE, movimentos humanos e obstáculos humanos. Os métodos propostos para melhorar a precisão alcançaram resultados de até 2 metros.

Resumo :Promissora para alguns aplicativos de distanciamento social, a tecnologia Bluetooth não ofereceu a consistência e a precisão da medição de distância para nosso wearable de distanciamento social. A combinação de tecnologias Bluetooth e Wi-Fi também foi explorada, mas isso também não resultou na precisão necessária.

Celular

A infraestrutura de rede celular amplamente implantada hoje pode ser usada para ajudar a localizar uma pessoa (ou mais precisamente, um dispositivo inteligente habilitado para SIM ou E-SIM ativo) em um ambiente externo. Embora a conectividade celular esteja disponível em ambientes internos, ela atualmente não produz medições precisas, confiáveis ​​ou rápidas o suficiente para nosso caso de uso. O distanciamento social é relevante em ambientes internos e externos, portanto, nossa discussão sobre localização celular continua focada em aplicações externas.

Nos últimos anos, vimos um tremendo crescimento tecnológico na tecnologia celular, alguns dos quais a tornam uma candidata chave para uso em aplicações de posicionamento de localização. Com as redes celulares atuais suportando GPS assistido (A-GPS), Cell ID aprimorado (E-CID) e distância observada de chegada (OTDOA), a precisão da localização do celular melhorou significativamente.

Prós : Uma das maiores vantagens da medição de distância baseada em celular é que ela não requer infraestrutura de hardware adicional; ele pode operar em redes existentes. Além disso, a maioria da população global possui pelo menos um dispositivo inteligente equipado com celular, portanto, a implantação requer apenas um aplicativo móvel e alguma capacidade de processamento de dados na rede.

Como funciona: Em ambientes externos, as técnicas de localização celular utilizam os algoritmos mencionados acima, a saber, A-GPS, E-CID e OTDOA. Aqui, o E-CID aumenta a precisão do CID ao adicionar dados de referência, como níveis RSS e informações RTT, que são usados ​​para triangular e calcular as coordenadas de localização. O E-CID também é capaz de usar informações do ângulo de chegada (AoA) para melhorar a precisão geral. Por meio dessas técnicas, os atuais protocolos celulares baseados em LTE (3 / 4G) são capazes de medir a distância com precisão em ambientes externos em uma faixa de 5 a 10 metros. Adequado se você perder seu telefone, mas não é preciso o suficiente para nosso caso de uso.

Muitas empresas de telecomunicações em todo o mundo estão implantando ativamente novas redes de celular 5G, e o 5G tem características de desempenho que podem torná-lo um excelente candidato para plataformas de distanciamento social de próxima geração. Testes adicionais para nosso caso de uso confirmarão isso, mas devido ao estado de implantação 5G, não foi considerado para nosso projeto.

5G inclui tecnologias-chave, como comunicações mmWave, comunicações dispositivo a dispositivo (D2D) e redes ultradensas (UDNs), que contribuem para sua capacidade de localização de alta precisão. As técnicas de posicionamento que exploram as comunicações mmWave são baseadas na validação de medidas de triangulação e ângulo de diferenças de chegada (ADOA). As simulações mostram que os métodos triangular-validate e ADOA podem atingir uma precisão submétrica com uma probabilidade de 85% e 70%, respectivamente, em uma área interna de 18 x 16 m [2]. A precisão da localização pode ser melhorada com a implementação de algoritmos de filtragem de Kalman.

As tecnologias 5G de última geração também permitirão antenas direcionais ou lineares, o que ajudará a tornar as técnicas de posicionamento baseadas em celular viáveis ​​para aplicações internas também. Aqui, os princípios básicos de AoA e tempo de chegada (ToA) são usados ​​para medição de localização.

Resumo: Adequado para ambientes externos onde a infraestrutura de rede celular está totalmente implantada, os protocolos celulares 3 / 4G existentes podem fornecer precisão de distância de até 10 metros, inadequada para nosso caso de uso. Embora as gerações futuras de 5G estejam no caminho certo para atingir uma precisão de distância abaixo do metro - possivelmente menor com novas técnicas - a cobertura de implantação não é suficiente neste momento para tornar as soluções 5G uma escolha viável para nossas necessidades. E a adequação do 5G para localização interna ainda não foi testada.

UWB

Ao contrário de seus equivalentes Bluetooth e Wi-Fi, o UWB opera em um amplo espectro de frequências GHz, de 3,1 a 10,6 GHz. Embora o UWB não seja tão amplamente implantado quanto os outros protocolos, ele tem algumas propriedades exclusivas que o tornam um excelente candidato para nosso projeto de distanciamento social, bem como para futuros casos de uso de posicionamento interno.

Prós: O UWB pode ser usado para capturar dados espaciais e direcionais altamente precisos e pode sustentar a precisão da medição no nível do centímetro em intervalos de distâncias curtas a médias. A precisão da medição UWB pode atingir uma precisão de distância de 5 a 10 cm, dependendo do caso de uso. Devido às suas características únicas, como alta resolução no domínio do tempo, imunidade de multipercurso, implementação de baixo custo, baixo consumo de energia, boa penetração e sinais UWB de largura de banda larga (pelo menos 500 MHz conforme especificado pela FCC), a tecnologia UWB de rádio de impulso tem a capacidade de gerar pulsos gaussianos de duração muito curta no domínio do tempo, o que possibilita algumas vantagens quando comparado com outras tecnologias de RF sem fio. Sua largura de banda larga também confere imunidade comparativamente melhor à propagação de multicaminhos e interferências de banda estreita prevalentes em outras tecnologias de comunicação, uma vez que esses tipos de interferências afetam apenas parte do espectro.

O UWB tem boa penetração em materiais sólidos, como paredes e outras estruturas, para que possa funcionar de forma mais consistente em ambientes NLOS. E uma vantagem principal para nosso design de fator de forma pequeno, UWB nos permitiu usar antenas menores devido ao aumento na frequência de operação e o circuito de RF era mais simples, embora as taxas de transferência de dados sejam mais altas.

Como funciona: Na comunicação UWB, pulsos ultracurtos são usados ​​para comunicar os dados, o que permite uma estimativa de alta precisão de uma distância bidirecional usando a duração ou o tempo de vôo (TOF) para os sinais. Quanto mais alta a densidade espectral, mais robustez em ambientes de múltiplos caminhos e, portanto, recursos de alcance (medição de distância) mais precisos.

Como parte de nossa avaliação UWB, recebemos um chipset UWB low-rate pulse (LRP) da Renesas. A principal vantagem do LRP é o consumo de energia até 10 vezes menor do que outras soluções UWB padrão e, portanto, foi um ajuste ideal para nosso wearable operado por bateria. Por exemplo, no modo de transmissão, o consumo de energia típico para pulso de alta taxa UWB (HRP) varia de 100 a 120 mA, onde UWB LRP normalmente consome 10-20 mA. Os dispositivos baseados no padrão LRP normalmente não são usados ​​para aplicativos de alcance de distância, mas o padrão mais recente IEEE 802.15.4z permite que eles operem no modo de consumo de energia ultrabaixo, enquanto habilita recursos de alcance seguro usando mecanismos TOF de ida e volta que usamos em cálculos de distância.

Nesta primeira fase do nosso projeto, normalmente medimos a precisão da distância do UWB LRP dentro de 20-30 cm. Para ambientes LOS claros, perto de 20 cm; e para ambientes NLOS, perto de 30 cm. Na próxima fase do projeto, a precisão e a confiabilidade da distância serão ajustadas ainda mais para chegar mais perto dos 10 cm necessários.

Quando comparado ao BLE e ao Wi-Fi, o UWB funciona em rádio de impulso curto de Tx a Rx. Em combinação com sua ampla largura de banda, isso reduz a latência para sub-ms, uma vez que nenhuma decodificação ou modulação é necessária.

Resumo: Com base em uma avaliação dos principais fatores, como precisão de medição de distância, confiabilidade, fator de forma / tamanho, desempenho no ambiente de implantação típico, latência, baixo consumo de energia, escalabilidade e sensibilidade reduzida à interferência, concluímos que UWB LRP - alavancado no novo chipset da Renesas - foi a melhor tecnologia sem fio para medição precisa de distância em nosso projeto de distanciamento social.

Finalizamos a plataforma de distanciamento social utilizando BLE e UWB em combinação (Figura 4). Isso nos deu as vantagens da medição de distância de alta precisão e consistência do UWB, bem como as eficiências de energia do BLE para detecção de proximidade sempre ativa ao detectar um dispositivo dentro do ambiente local. Em nosso aplicativo, o BLE também oferece suporte ao envio de dados de alerta históricos e medições de distância reais para um aplicativo móvel.

Figura 4:A plataforma POC final usa uma combinação de BLE e UWB LRP para utilização de energia ideal. (Fonte:Altran)

Uma escolha clara para uma pulseira de distanciamento social

O distanciamento social e o uso de máscaras continuam a ser a primeira linha de defesa da humanidade contra a propagação de COVID-19 e outras doenças propagadas por contato ou transmissão aérea. Neste projeto, Altran e Renesas se uniram para desenvolver uma plataforma embarcada para um caso de uso de distanciamento social usando chips MCU e UWB LRP da Renesas. Embora este projeto inclua o design e a fabricação (em pequeno volume) de um protótipo de pulseira, a própria plataforma pode ser facilmente adaptada para permitir o distanciamento social (e rastreamento de contato), bem como outras funcionalidades internas e externas baseadas em localização / posição em muitos tipos e fatores de forma de produtos IoT em que a precisão da distância e do local são essenciais. A opção de usar chips UWB LRP estende ainda mais a gama de casos de uso para incluir aqueles em que a eficiência de energia é crítica.

Referências

[1] Dados de precisão da distância do protocolo sem fio:

• Wi-Fi
• BLE
• GNSS
• Celular
• UWB