Choisir l'ultra-large bande pour wearables de distanciation sociale précis

La distanciation sociale reste une pierre angulaire de l'atténuation du COVID‑19, et une mesure de distance précise à faible latence est essentielle pour tout wearable visant à alerter les utilisateurs lorsque la distance recommandée de 6 pieds (2 mètres) est franchie.

Altran a collaboré avec le leader des semiconducteurs Renesas pour créer une plateforme de bracelet intelligent qui exploite la technologie ultra-large bande (UWB). Cet article détaille la première phase de cette collaboration – l'évaluation des protocoles sans fil pour répondre à des exigences strictes de précision, consommation, taille et expérience utilisateur.

Un petit dispositif avec une longue liste d'exigences

Notre objectif était de concevoir une plateforme de distanciation sociale compacte pouvant être construite autour des CI Renesas. Un prototype de bracelet à faible volume a démontré les fonctions de base – surveillance, alertes et utilisabilité (Figure 1).

Figure 1. Prototype de bracelet alertant le porteur lorsqu'un autre appareil est à une distance de sécurité spécifiée par l'utilisateur. (Source : Altran)

Un facteur de forme wearable dictait le besoin d'une solution sans fil répondant aux critères suivants :

• Mesure de distance précise – Essentielle pour alertes fiables et élimination des faux positifs.
• Robustesse à l'environnement – Doit fonctionner en intérieur et extérieur, en ligne de vue (LOS) et non-LOS (NLOS), et en environnements dynamiques avec objets en mouvement.
• Faible latence – Les alertes doivent être délivrées assez vite pour que le porteur réagisse.
• Compacité – La pile sans fil doit tenir dans un bracelet léger.
• Efficacité énergétique – L'autonomie batterie doit rester acceptable en effectuant une détection de proximité continue.
• Évolutivité – Le système doit gérer plusieurs cibles simultanées dans les foules.

Toutes les technologies sans fil utilisent une combinaison de capture de signal (basée temps, angulaire, ou force de signal reçue) et techniques de positionnement (triangulation ou trilatération) pour estimer distance ou position (Figure 2).

Figure 2 : Technique typique de mesure distance/position. (Source : Altran)

Évaluation des technologies sans fil

Nous avons examiné le Wi‑Fi, la cellulaire, Bluetooth Low Energy (BLE) et l'ultra-large bande (UWB). Les données de précision publiées (Figure 3) ont éliminé de nombreux protocoles pour notre cas d'usage, mais chacun offrait encore des avantages notables.

Figure 3. Précision de mesure de distance des technologies sans fil typiques. (Source : Altran, utilisant références publiées [1])

Wi‑Fi

L'ubiquité du Wi‑Fi et ses récentes améliorations en temps aller-retour (RTT) le rendent attractif pour le positionnement intérieur. Cependant, même avec RTT, la précision typique basée RSSI n'atteint que 1-3 m 75-85 % du temps et se dégrade en NLOS ou environnements hautement réfléchissants. Le Wi‑Fi nécessite aussi un réseau de points d'accès, limitant les transitions intérieur-extérieur fluides et ajoutant de la complexité d'infrastructure.

BLE

Le BLE offre une faible consommation et un déploiement facile via les appareils intelligents existants. Son taux d'échantillonnage plus élevé améliore l'estimation de distance comparé au Wi‑Fi, mais le fading rapide, les interférences et les obstacles humains limitent encore la précision à environ 2 m en pratique. Le BLE seul ne pouvait pas satisfaire la précision sous-métrique requise pour les alertes de distanciation sociale.

Cellulaire

Le positionnement cellulaire extérieur (A-GPS, E-CID, OTDOA) délivre 5-10 m de précision avec les réseaux 3G/4G actuels – insuffisant pour notre cible. La mmWave 5G, le device-to-device et le réseautage ultra-dense promettent une précision sous-métrique, mais la couverture globale et l'applicabilité intérieure restent limitées actuellement.

UWB

L'UWB opère sur 3,1-10,6 GHz, délivrant une précision de distance au centimètre grâce à sa haute résolution temporelle et son immunité au multipath. Ses signaux d'impulsion courts fournissent une latence sous-milliseconde, et la large bande atténue les interférences à bande étroite. Importamment, la haute pénétration de l'UWB permet une performance NLOS fiable, et la fréquence d'opération plus haute permet des antennes plus petites – critique pour un bracelet.

Renas a fourni un jeu de puces UWB à impulsion de faible débit (LRP) consommant 10-20 mA en mode émission versus 100-120 mA pour les solutions haut débit. En tirant parti de l'IEEE 802.15.4z, le LRP supporte le ranging temps de vol aller-retour sécurisé tout en restant ultra-faible consommation. En phase 1, nous avons atteint 20-30 cm de précision en environnements LOS/NLOS, avec un réglage supplémentaire attendu pour atteindre l'objectif de 10 cm.

La combinaison BLE et UWB nous a permis d'exploiter la précision de l'UWB quand une cible est détectée, pendant que le BLE gérait la détection de proximité basse consommation et le déchargement de données vers l'app mobile.

Figure 4 : Plateforme preuve-de-concept finale combinant BLE et UWB LRP pour puissance et précision optimales. (Source : Altran)

Un choix clair pour un bracelet de distanciation sociale

Altran et Renesas ont démontré qu'une plateforme basée UWB délivre la précision, latence et efficacité énergétique requises pour des wearables de distanciation sociale fiables. L'architecture s'échelonne au-delà d'un bracelet vers tout facteur de forme IoT exigeant un positionnement précis intérieur et extérieur, la rendant adaptée au contact tracing, suivi d'actifs et au-delà.

Références

[1] Données de précision de distance des protocoles sans fil :

• Wi‑Fi
• BLE
• GNSS
• Cellulaire
• UWB

[2] Résultats de simulation