Cuando la precisión importa:evaluación de tecnologías para un dispositivo de distanciamiento social

En este proyecto, nuestro objetivo era crear una plataforma de distanciamiento social integrada adecuada para aplicaciones portátiles que aprovecharan las tecnologías de CI de Renesas. Como prueba de concepto, también se diseñó y fabricó un prototipo de pulsera basado en esta plataforma en bajo volumen para demostrar la funcionalidad (monitoreo y alertas) y la experiencia del usuario en un caso de uso de distanciamiento social (Figura 1).

Figura 1. Un prototipo de pulsera alerta al usuario cuando se detecta un segundo dispositivo dentro de una distancia de seguridad especificada por el usuario. (Fuente:Altran)

Un factor de forma portátil dictaba la necesidad de una o más tecnologías inalámbricas, cuya elección se centró en unos pocos requisitos básicos.

• Medición de distancia precisa:para alertas precisas y sin alertas falsas. De lejos, para nuestro caso de uso, el criterio más importante para elegir un protocolo inalámbrico es su capacidad para medir la distancia con un nivel de precisión capaz de distinguir entre distancias seguras e inseguras. La precisión de la medición también es clave para eliminar (o reducir drásticamente) el número de falsas alertas provocadas por una medición de distancia imprecisa. Recibir alertas que pueden o no equivaler a distanciamiento inseguro hace que sea difícil para los usuarios descifrar amenazas reales y falsas.
• El impacto del entorno físico. El protocolo inalámbrico debe verse mínimamente afectado por el entorno físico de los escenarios de uso típicos. En otras palabras, el dispositivo debe ser capaz de proporcionar mediciones precisas y repetibles, ya sea que se use en interiores o exteriores, en situaciones de línea de visión (LOS) o sin LOS (NLOS), y en entornos dinámicos, como aquellos con muchos mover objetos o cambiar LOS.
• Baja latencia. Para ser eficaz, el tiempo de respuesta entre la detección de amenazas y la alerta del usuario debe ser lo suficientemente rápido como para que el usuario tenga tiempo de tomar medidas preventivas y / o tomar las precauciones necesarias.
• Factor de forma. En un dispositivo portátil, la tecnología inalámbrica debe ser liviana y pequeña.
• Eficiencia energética. Los wearables funcionan con baterías, pero la detección (de un objeto, una persona, una señal, etc.) generalmente involucra sensores, componentes que no se conocen por su eficiencia energética. Para nuestro caso de uso, fue crucial diseñar una solución inalámbrica con una eficiencia energética excepcional, en todos los modos de funcionamiento, para ofrecer la vida útil esperada de la batería entre cargas.
• Escalabilidad. Un caso de uso de distanciamiento social, por definición, involucra a varias personas y, a menudo, multitudes, por lo que la solución inalámbrica debe poder proporcionar una medición de distancia confiable y precisa para múltiples objetivos simultáneos.

En general, cada tecnología inalámbrica admite la medición de distancia y ubicación utilizando una combinación de captura de señal (utilizando métodos de señal recibida, posición angular o basados ​​en el tiempo) y técnicas de posicionamiento (utilizando métodos de triangulación o trilateración) (Figura 2).

Figura 2:Técnica típica de medición de distancia / ubicación. (Fuente:Altran)

Evaluación de tecnologías inalámbricas

Evaluamos varios protocolos inalámbricos disponibles comercialmente para evaluar qué tan bien podrían cumplir con nuestros requisitos para un dispositivo portátil de distanciamiento social. Nuestros candidatos incluyeron Wi-Fi, celular, Bluetooth de baja energía (BLE) y banda ultra ancha (UWB). En general, las especificaciones de precisión de posición / distancia conocidas de cada uno eliminaron muchos protocolos (Figura 3), pero hay ventajas que vale la pena señalar aquí.

Figura 3. Precisión de la medición de distancia de las tecnologías inalámbricas típicas. (Fuente:Altran, utilizando referencias publicadas [1])

Wi-Fi

Primero analizamos el Wi-Fi, simplemente por su ubicuidad. Su amplia implementación en ambientes interiores lo convirtió en una solución prometedora para el caso de uso de distanciamiento social dentro de edificios, particularmente en estructuras complejas como aeropuertos, callejones y estacionamientos, o ubicaciones subterráneas donde el GPS y otras tecnologías satelitales pueden no estar disponibles o proporcionar baja precisión. .

Ventajas: Debido a la adopción generalizada de Wi-Fi y la conveniencia de configurar redes Wi-Fi, las soluciones se pueden implementar rápidamente para el posicionamiento del usuario con muy bajo costo y esfuerzo. Además, con los avances recientes en el posicionamiento en interiores basado en Wi-Fi, Wi-Fi puede proporcionar servicios de ubicación confiables y más precisos (que la tecnología Wi-Fi más antigua) adecuados para algunas aplicaciones de distanciamiento social.

Cómo funciona: En un sistema Wi-Fi, se requiere un transmisor inalámbrico, conocido como punto de acceso inalámbrico (AP), para transmitir señales de radio para comunicarse con los dispositivos del usuario en su área de cobertura. La forma más común y fácil de admitir el posicionamiento en interiores es calcular la ubicación del usuario en función del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI) de las señales del dispositivo del usuario. La precisión RSSI está en el rango de 10+ metros, reducida a 1-3 metros aprox. 75-85% del tiempo cuando se utiliza la tecnología más nueva de tiempo de ida y vuelta (RTT) de Wi-Fi.

Resumen: Con los avances actuales de Wi-Fi, como RTT, la precisión de los sistemas de localización ha mejorado significativamente, lo que ha dado como resultado su adopción para muchas aplicaciones de posicionamiento en interiores. Pero la precisión de la distancia hasta 1 metro sigue siendo insuficiente para nuestro caso de uso de distanciamiento social. Además, es posible que el Wi-Fi no sea eficaz en entornos interiores dinámicos y complicados debido a los efectos de los entornos NLOS, donde las señales pueden dispersarse por sombras de obstáculos o personas.

La tecnología basada en Wi-Fi también se utiliza principalmente para entornos interiores y adyacentes, ya que requiere varios AP para la localización que pueden no proporcionar transiciones fluidas en entornos interiores y exteriores o no ser factibles en entornos exteriores. Los puntos de acceso Wi-Fi también requieren una infraestructura adicional, como energía y protección contra los elementos, lo que los hace más complejos de implementar.

BLE

Con el crecimiento explosivo de los dispositivos habilitados para Bluetooth tanto en ambientes interiores como exteriores, también consideramos la tecnología BLE para nuestra solución.

Ventajas: BLE se utiliza para comunicaciones inalámbricas de corto alcance (2,4 a 2,485 GHz); y su tecnología de localización tiene varias ventajas en comparación con Wi-Fi. Las señales BLE tienen una frecuencia de muestreo más alta (es decir, de 0,25 Hz a 2 Hz), lo que proporciona más datos para estimar la distancia. La tecnología BLE también es más eficiente en el consumo de energía, por lo que es más adecuada para dispositivos portátiles. Y las señales BLE se pueden obtener de la mayoría de los dispositivos inteligentes, mientras que las señales de Wi-Fi solo se pueden obtener de los AP. Finalmente, las balizas BLE pueden funcionar con baterías y, por lo tanto, son más flexibles y fáciles de implementar que los puntos de acceso Wi-Fi.

Cómo funciona: La localización basada en Bluetooth se considera un enfoque práctico en entornos interiores y adyacentes (patios exteriores, terrazas, etc.). Los esquemas de localización en interiores recopilan medidas RSSI para detectar la ubicación del usuario mediante el uso del mecanismo de triangulación con datos de otros dispositivos Bluetooth.

Aunque la localización en interiores basada en BLE puede lograr un mejor rendimiento que los sistemas de localización Wi-Fi similares, la tecnología BLE se ve fuertemente afectada por el desvanecimiento rápido y las interferencias que conducen a una precisión de baja distancia al detectar otro dispositivo. La precisión también se ve fuertemente afectada por los canales de publicidad BLE, los movimientos humanos y los obstáculos humanos. Los métodos propuestos para mejorar la precisión han logrado resultados de hasta 2 metros.

Resumen :Prometedora para algunas aplicaciones de distanciamiento social, la tecnología Bluetooth no ofreció la consistencia y precisión de la medición de distancia para nuestro dispositivo portátil de distanciamiento social. También se exploró la combinación de tecnologías Bluetooth y Wi-Fi, pero esto tampoco resultó en la precisión necesaria.

Móvil

La infraestructura de red celular que se está implementando ampliamente en la actualidad se puede usar para ayudar a ubicar a una persona (o más exactamente, un dispositivo inteligente habilitado para SIM o E-SIM) dentro de un entorno al aire libre. Aunque la conectividad celular está disponible en ambientes interiores, actualmente no produce mediciones precisas, confiables o lo suficientemente rápidas para nuestro caso de uso. El distanciamiento social es relevante tanto en entornos interiores como exteriores, por lo que nuestra discusión sobre la localización celular continúa centrada en aplicaciones al aire libre.

En los últimos años, hemos visto un tremendo crecimiento tecnológico en la tecnología celular, algunos de los cuales la convierten en un candidato clave para su uso en aplicaciones de posicionamiento de ubicación. Con las redes celulares actuales que admiten GPS asistido (A-GPS), identificación celular mejorada (E-CID) y tiempo de distancia observado de llegada (OTDOA), la precisión de la ubicación celular ha mejorado significativamente.

Pros : Una de las mayores ventajas de la medición de distancia basada en celulares es que no requiere infraestructura de hardware adicional; puede operar en redes existentes. Además, la mayoría de la población mundial posee al menos un dispositivo inteligente equipado con celular, por lo que la implementación requiere solo una aplicación móvil y cierta capacidad de procesamiento de datos en la red.

Cómo funciona: En entornos al aire libre, las técnicas de localización celular utilizan los algoritmos mencionados anteriormente, a saber, A-GPS, E-CID y OTDOA. Aquí, E-CID mejora la precisión de CID al agregar datos de referencia como niveles RSS e información RTT que se utiliza para triangular y calcular coordenadas de ubicación. E-CID también es capaz de utilizar información de ángulo de llegada (AoA) para mejorar la precisión general. A través de estas técnicas, los protocolos celulares actuales basados ​​en LTE (3 / 4G) son capaces de medir con precisión la distancia en entornos al aire libre hasta un rango de 5 a 10 metros. Adecuado si pierde su teléfono, pero no lo suficientemente preciso para nuestro caso de uso.

Muchas empresas de telecomunicaciones de todo el mundo están implementando activamente nuevas redes celulares 5G, y 5G tiene características de rendimiento que podrían convertirlo en un excelente candidato para las plataformas de distanciamiento social de próxima generación. Las pruebas adicionales para nuestro caso de uso confirmarán esto, pero dado el estado de la implementación de 5G, no se consideró para nuestro proyecto.

5G incluye tecnologías clave como comunicaciones mmWave, comunicaciones de dispositivo a dispositivo (D2D) y redes ultra densas (UDN), que contribuyen a su capacidad de localización de alta precisión. Las técnicas de posicionamiento que aprovechan las comunicaciones mmWave se basan en la validación de las medidas de triangulación y el ángulo de diferencias de llegada (ADOA). Las simulaciones muestran que los métodos de validación triangular y ADOA pueden lograr una precisión inferior al metro con una probabilidad del 85% y el 70%, respectivamente, en un área interior de 18 x 16 m [2]. La precisión de la localización se puede mejorar aún más implementando algoritmos de filtrado de Kalman.

Las tecnologías 5G de próxima generación también permitirán antenas de matriz direccional o lineal, lo que ayudará a que las técnicas de posicionamiento basadas en celulares sean viables también para aplicaciones en interiores. Aquí, los principios básicos de AoA y el tiempo de llegada (ToA) se utilizan para medir la ubicación.

Resumen: Adecuado para entornos al aire libre donde la infraestructura de red celular está completamente implementada, los protocolos celulares 3 / 4G existentes solo pueden ofrecer una precisión de hasta 10 metros de distancia, lo que no es adecuado para nuestro caso de uso. Si bien las generaciones futuras de 5G están en camino de lograr una precisión de distancia inferior al metro, posiblemente menor con las nuevas técnicas, la cobertura de implementación no es suficiente en este momento para que las soluciones 5G sean una opción viable para nuestras necesidades. Y la idoneidad de 5G para la localización en interiores aún no se ha probado.

UWB

A diferencia de sus homólogos de Bluetooth y Wi-Fi, UWB opera en un amplio espectro de frecuencias de GHz, de 3,1 a 10,6 GHz. Si bien UWB no se implementa tan ampliamente como los otros protocolos, tiene algunas propiedades únicas que lo convirtieron en un candidato excelente para nuestro proyecto de distanciamiento social, así como para futuros casos de uso de posicionamiento en interiores.

Ventajas: UWB se puede utilizar para capturar datos espaciales y direccionales de alta precisión y puede mantener la precisión de la medición a nivel de centímetros en rangos de distancias cortas a medias. La precisión de la medición de UWB es capaz de una precisión de distancia de hasta 5-10 cm, según el caso de uso. Debido a sus características únicas, como alta resolución en el dominio del tiempo, inmunidad de trayectos múltiples, implementación de bajo costo, bajo consumo de energía, buena penetración y señales UWB de ancho de banda amplio (al menos 500 MHz según lo especificado por la FCC), la tecnología UWB de radio de impulsos tiene la capacidad de generar pulsos gaussianos de muy corta duración en el dominio del tiempo, lo que permite algunas ventajas en comparación con otras tecnologías de RF inalámbrica. Su amplio ancho de banda también le otorga una inmunidad comparativamente mejor a la propagación por trayectos múltiples y a las interferencias de banda estrecha que prevalecen en otras tecnologías de comunicación, ya que este tipo de interferencias solo afectan a una parte del espectro.

UWB tiene una buena penetración en materiales sólidos, como paredes y otras estructuras, por lo que puede funcionar de manera más consistente en entornos NLOS. Y una ventaja clave para nuestro diseño de factor de forma pequeño, UWB nos permitió usar antenas más pequeñas debido al aumento en la frecuencia de operación y el circuito de RF era más simple, aunque las tasas de transferencia de datos son más altas.

Cómo funciona: En la comunicación UWB, se utilizan pulsos ultracortos para comunicar los datos, lo que permite una estimación de alta precisión de una distancia bidireccional utilizando la duración o el tiempo de vuelo (TOF) para las señales. Cuanto mayor sea la densidad espectral, mayor solidez proporcionará en entornos de rutas múltiples y, por lo tanto, capacidades de medición de distancia (medición de distancia) más precisas.

Como parte de nuestra evaluación de UWB, Renesas nos proporcionó un conjunto de chips de pulso de frecuencia baja (LRP) UWB. La principal ventaja de LRP es un consumo de energía 10 veces menor que otras soluciones UWB estándar y, por lo tanto, fue un ajuste ideal para nuestro dispositivo portátil que funciona con baterías. Por ejemplo, en el modo de transmisión, el consumo de energía típico para el pulso de alta frecuencia (HRP) de UWB varía de 100 a 120 mA, donde UWB LRP generalmente consume 10-20 mA. Los dispositivos basados ​​en el estándar LRP no se utilizan normalmente para aplicaciones de rango de distancia, pero el último estándar IEEE 802.15.4z les permite operar en modo de consumo de energía ultra bajo mientras habilita capacidades de rango seguro utilizando los mecanismos TOF de ida y vuelta que usamos en los cálculos de distancia.

En esta primera fase de nuestro proyecto, normalmente medimos la precisión de la distancia de UWB LRP dentro de los 20-30 cm. Para entornos LOS despejados, más cerca de 20 cm; y para entornos NLOS, más cercano a los 30 cm. En la próxima fase del proyecto, tanto la precisión de la distancia como la confiabilidad se ajustarán aún más para lograr más cerca de los 10 cm necesarios.

En comparación con BLE y Wi-Fi, UWB funciona en radio de impulsos de ráfaga corta de Tx a Rx. En combinación con su amplio ancho de banda, esto reduce la latencia a sub-ms ya que no se requiere decodificación ni modulación.

Resumen: Basándonos en una evaluación de factores clave como la precisión de la medición de distancia, la confiabilidad, el factor de forma / tamaño, el rendimiento en el entorno de implementación típico, la latencia, el bajo consumo de energía, la escalabilidad y la sensibilidad reducida a la interferencia, llegamos a la conclusión de que UWB LRP:aprovechado en el nuevo chipset de Renesas:fue la mejor tecnología inalámbrica para medir con precisión la distancia en nuestro proyecto de distanciamiento social.

Finalizamos la plataforma de distanciamiento social utilizando tanto BLE como UWB en combinación (Figura 4). Esto nos brindó las ventajas de la coherencia y la medición de distancia de alta precisión de UWB, así como la eficiencia energética de BLE para la detección de proximidad siempre activa al detectar un dispositivo dentro del entorno local. En nuestra aplicación, BLE también admite el envío de datos de alerta históricos y mediciones de distancia reales a una aplicación móvil.

Figura 4:La plataforma POC final utiliza una combinación de BLE y UWB LRP para una utilización óptima de la energía. (Fuente:Altran)

Una opción clara para una pulsera de distanciamiento social