Escolhendo Ultra-Wideband para Wearables de Distanciamento Social Precisos

Distanciamento social permanece uma pedra angular da mitigação da COVID-19, e medição de distância precisa e de baixa latência é essencial para qualquer wearable que vise alertar usuários quando o buffer recomendado de 6 pés (2 metros) é violado.

A Altran fez parceria com a líder em semicondutores Renesas para criar uma plataforma inteligente de pulseira que aproveita tecnologia ultra-wideband (UWB). Este artigo detalha a primeira fase dessa colaboração — avaliando protocolos sem fio para atender requisitos rigorosos de precisão, potência, tamanho e experiência do usuário.

Um pequeno dispositivo com uma grande lista de requisitos

Nosso objetivo era projetar uma plataforma compacta de distanciamento social que pudesse ser construída em torno dos ICs da Renesas. Um protótipo de pulseira de baixo volume demonstrou funções centrais — monitoramento, alertas e usabilidade (Figura 1).

Figura 1. Protótipo de pulseira que alerta o usuário quando outro dispositivo está dentro de uma distância segura especificada pelo usuário. (Fonte: Altran)

Um fator de forma vestível ditou a necessidade de uma solução sem fio que atendesse aos seguintes critérios:

• Medição de distância precisa — Essencial para alertas confiáveis e eliminação de falsos positivos.
• Robustez ao ambiente — Deve funcionar indoor e outdoor, em condições line-of-sight (LOS) e non-LOS (NLOS), e em configurações dinâmicas com objetos em movimento.
• Baixa latência — Alertas devem ser entregues rápido o suficiente para o usuário reagir.
• Compacidade — A stack sem fio deve caber dentro de uma pulseira leve.
• Eficiência energética — Vida da bateria deve permanecer aceitável enquanto realiza sensoriamento de proximidade contínuo.
• Escalabilidade — O sistema deve lidar com múltiplos alvos simultâneos em multidões.

Todas as tecnologias sem fio usam uma combinação de captura de sinal (baseada em tempo, angular ou força de sinal recebida) e técnicas de posicionamento (triangulação ou trilateração) para estimar distância ou localização (Figura 2).

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

Avaliando tecnologias sem fio

Examinamos Wi‑Fi, celular, Bluetooth Low Energy (BLE) e ultra-wideband (UWB). Dados de precisão publicados (Figura 3) eliminaram muitos protocolos para nosso caso de uso, mas cada um ainda oferecia vantagens notáveis.

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

Wi‑Fi

A ubiquidade do Wi‑Fi e melhorias recentes em round-trip time (RTT) o tornam atraente para posicionamento indoor. No entanto, mesmo com RTT, precisão típica baseada em RSSI só alcança 1–3 m 75–85% do tempo e degrada em ambientes NLOS ou altamente reflexivos. Wi‑Fi também requer rede de access points, limitando transições indoor-outdoor seamless e adicionando complexidade de infraestrutura.

BLE

BLE oferece baixo consumo de energia e fácil implantação via dispositivos inteligentes existentes. Sua taxa de amostragem mais alta melhora estimativa de distância comparado a Wi‑Fi, mas fading rápido, interferência e obstáculos humanos ainda limitam precisão a cerca de 2 m na prática. BLE sozinho não podia satisfazer a precisão sub-metro requerida para alertas de distanciamento social.

Celular

Posicionamento celular outdoor (A-GPS, E-CID, OTDOA) entrega precisão de 5–10 m com redes 3G/4G atuais — insuficiente para nosso alvo. 5G com mmWave, device-to-device e ultra-dense networking promete precisão sub-metro, ainda cobertura global e aplicabilidade indoor permanecem limitadas no presente.

UWB

UWB opera em 3,1–10,6 GHz, entregando precisão de distância nível centímetro através de resolução de domínio temporal alta e imunidade a multipath. Seus sinais de impulso de curta duração fornecem latência sub-milissegundo, e a largura de banda ampla mitiga interferência narrow-band. Importantemente, a alta penetração do UWB permite desempenho NLOS confiável, e a frequência de operação mais alta permite antenas menores — crítico para uma pulseira.

A Renesas forneceu um chipset UWB de pulso de baixa taxa (LRP) que consome 10–20 mA em modo transmissão versus 100–120 mA para soluções high-rate. Aproveitando IEEE 802.15.4z, o LRP suporta ranging seguro round-trip time-of-flight enquanto permanece ultra-baixo consumo. Na fase 1, alcançamos precisão de 20–30 cm em ambientes LOS/NLOS, com tuning adicional esperado para atingir meta de 10 cm.

Combinar BLE e UWB nos permitiu aproveitar a precisão do UWB quando um alvo é detectado, enquanto BLE lidava com detecção de proximidade de baixo consumo e offloading de dados para o app móvel.

Figura 4: Plataforma proof-of-concept final combinando BLE e UWB LRP para potência e precisão ótimas. (Fonte: Altran)

Uma escolha clara para pulseira de distanciamento social

Altran e Renesas demonstraram que uma plataforma baseada em UWB entrega a precisão, latência e eficiência energética requeridas para wearables de distanciamento social confiáveis. A arquitetura escala além de pulseira para qualquer fator de forma IoT que demande posicionamento indoor e outdoor preciso, tornando-a adequada para rastreamento de contatos, asset tracking e além.

Referências

[1] Dados de precisão de distância de protocolos sem fio:

• Wi‑Fi
• BLE
• GNSS
• Celular
• UWB

[2] Resultados de simulação