Quand la précision compte : Évaluer les technologies pour un wearable à distance sociale

Dans ce projet, notre objectif était de créer une plate-forme intégrée de distanciation sociale adaptée aux applications portables qui exploitaient les technologies Renesas IC. Comme preuve de concept, un prototype de bracelet basé sur cette plate-forme a également été conçu et fabriqué en faible volume pour démontrer la fonctionnalité (surveillance et alertes) et l'expérience utilisateur dans un cas d'utilisation de distanciation sociale (Figure 1).

Figure 1. Un prototype de bracelet alerte le porteur lorsqu'un deuxième appareil est détecté à une distance de sécurité spécifiée par l'utilisateur. (Source :Altran)

Un facteur de forme portable a dicté le besoin d'une ou plusieurs technologies sans fil, dont le choix était centré sur quelques exigences de base.

• Mesure précise de la distance :pour des alertes précises et sans fausses alertes. De loin, pour notre cas d'utilisation, le critère le plus important pour choisir un protocole sans fil est sa capacité à mesurer la distance avec un niveau de précision capable de faire la distinction entre les distances sûres et dangereuses. La précision des mesures est également essentielle pour éliminer (ou réduire considérablement) le nombre de fausses alertes causées par une mesure de distance imprécise. La réception d'alertes qui peuvent ou non correspondre à une distance dangereuse rend difficile pour les utilisateurs de déchiffrer les menaces réelles et fausses.
• L'impact de l'environnement physique. Le protocole sans fil doit être peu impacté par l'environnement physique des scénarios d'utilisation typiques. L'appareil, en d'autres termes, doit être capable de fournir des mesures précises et reproductibles, qu'il soit utilisé à l'intérieur ou à l'extérieur, dans des situations de visibilité directe (LOS) ou non (NLOS), et dans des environnements dynamiques, tels que ceux avec de nombreux déplacer des objets ou changer de LOS.
• Faible latence. Pour être efficace, le temps de réponse entre la détection de la menace et l'alerte utilisateur doit être suffisamment rapide pour que l'utilisateur ait le temps de prendre les mesures préventives et/ou les précautions nécessaires.
• Facteur de forme. Dans un appareil portable, la technologie sans fil doit être légère et petite.
• Efficacité énergétique. Les appareils portables fonctionnent sur batterie, mais la détection - d'un objet, d'une personne, d'un signal, etc. - implique généralement des capteurs, des composants non connus pour leur efficacité énergétique. Pour notre cas d'utilisation, il était crucial de concevoir une solution sans fil avec une efficacité énergétique exceptionnelle, dans tous les modes de fonctionnement, pour offrir la durée de vie de la batterie attendue entre les charges.
• Évolutivité. Un cas d'utilisation de distanciation sociale, par définition, implique plusieurs personnes et souvent des foules. La solution sans fil doit donc être en mesure de fournir une mesure de distance fiable et précise pour plusieurs cibles simultanées.

En général, chaque technologie sans fil prend en charge la mesure de la distance et de l'emplacement à l'aide d'une combinaison de capture de signal (à l'aide de méthodes basées sur le temps, la position angulaire ou le signal reçu) et de techniques de positionnement (à l'aide de méthodes de triangulation ou de trilatération) (Figure 2).

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

Évaluer les technologies sans fil

Nous avons évalué plusieurs protocoles sans fil disponibles dans le commerce pour évaluer dans quelle mesure ils pourraient répondre à nos exigences en matière de portable à distance sociale. Nos candidats comprenaient le Wi-Fi, le cellulaire, le Bluetooth Low Energy (BLE) et l'ultra large bande (UWB). En général, les spécifications connues de distance/précision de position de chacun ont éliminé de nombreux protocoles (Figure 3), mais il y a des mérites à noter ici.

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

Wi-Fi

Nous avons d'abord examiné le Wi-Fi, simplement à cause de son omniprésence. Son large déploiement dans les environnements intérieurs en a fait une solution prometteuse pour le cas d'utilisation de la distanciation sociale à l'intérieur des bâtiments, en particulier dans les structures complexes telles que les aéroports, les ruelles et les parkings, ou les emplacements souterrains où le GPS et d'autres technologies satellitaires peuvent ne pas être disponibles ou fournir une faible précision .

Avantages : En raison de l'adoption généralisée du Wi-Fi et de la commodité de la configuration de réseaux Wi-Fi, des solutions pourraient être déployées rapidement pour le positionnement des utilisateurs avec un coût et des efforts très faibles. De plus, avec les récentes avancées en matière de positionnement intérieur basé sur le Wi-Fi, le Wi-Fi peut fournir des services de localisation fiables et plus précis (que l'ancienne technologie Wi-Fi) adaptés à certaines applications de distanciation sociale.

Comment ça marche : Dans un système Wi-Fi, un émetteur sans fil, appelé point d'accès sans fil (AP), est requis pour transmettre des signaux radio afin de communiquer avec les appareils des utilisateurs dans sa zone de couverture. Le moyen le plus courant et le plus simple de prendre en charge le positionnement à l'intérieur consiste à calculer l'emplacement de l'utilisateur en fonction de l'indicateur de force du signal reçu (RSSI) des signaux provenant de l'appareil utilisateur. La précision RSSI est de l'ordre de 10+ mètres, réduite à 1-3 mètres environ. 75 à 85 % du temps lors de l'utilisation de la nouvelle technologie Wi-Fi aller-retour (RTT).

Résumé : Avec les avancées actuelles du Wi-Fi, telles que RTT, la précision des systèmes de localisation s'est considérablement améliorée, ce qui a entraîné son adoption pour de nombreuses applications de positionnement en intérieur. Mais la précision de la distance jusqu'à 1 mètre est toujours insuffisante pour notre cas d'utilisation de la distanciation sociale. De plus, le Wi-Fi peut ne pas être efficace dans les environnements intérieurs dynamiques et complexes en raison des effets des environnements NLOS, où les signaux peuvent être dispersés par des ombres d'obstacles ou des personnes.

La technologie Wi-Fi est également utilisée principalement pour les environnements intérieurs et intérieurs adjacents, car elle nécessite plusieurs points d'accès pour la localisation, ce qui peut ne pas fournir de transitions transparentes dans les environnements intérieurs-extérieurs ou être réalisable dans les environnements extérieurs. Les points d'accès Wi-Fi nécessitent également une infrastructure supplémentaire telle que l'alimentation et la protection contre les éléments, ce qui les rend plus complexes à déployer.

BLE

Avec la croissance explosive des appareils compatibles Bluetooth dans les environnements intérieurs et extérieurs, nous avons également envisagé la technologie BLE pour notre solution.

Avantages : BLE est utilisé pour les communications sans fil à courte portée (2,4 à 2,485 GHz); et sa technologie de localisation présente plusieurs avantages par rapport au Wi-Fi. Les signaux BLE ont une fréquence d'échantillonnage plus élevée (c'est-à-dire 0,25 Hz à 2 Hz), fournissant plus de données à partir desquelles estimer la distance. La technologie BLE est également plus économe en énergie, donc plus adaptée aux appareils portables. Et les signaux BLE peuvent être obtenus à partir de la plupart des appareils intelligents, tandis que les signaux Wi-Fi ne peuvent être obtenus qu'à partir des points d'accès. Enfin, les balises BLE peuvent être alimentées par batterie, et sont donc plus flexibles et plus faciles à déployer que les points d'accès Wi-Fi.

Comment ça marche : La localisation basée sur Bluetooth est considérée comme une approche pratique dans les environnements intérieurs et intérieurs adjacents (terrasses extérieures, terrasses, etc.). Les schémas de localisation en intérieur collectent les mesures RSSI pour détecter l'emplacement de l'utilisateur en utilisant le mécanisme de triangulation avec les données d'autres appareils Bluetooth.

Même si la localisation intérieure basée sur BLE peut atteindre de meilleures performances que les systèmes de localisation Wi-Fi similaires, la technologie BLE est fortement affectée par la décoloration rapide et les interférences entraînant une faible précision de distance lors de la détection d'un autre appareil. La précision est également fortement impactée par les canaux publicitaires BLE, les mouvements humains et les obstacles humains. Les méthodes proposées pour améliorer la précision ont atteint des résultats jusqu'à 2 mètres.

Résumé :Prometteuse pour certaines applications de distanciation sociale, la technologie Bluetooth n'offrait pas la cohérence et la précision de la mesure de la distance pour notre portable de distanciation sociale. La combinaison des technologies Bluetooth et Wi-Fi a également été explorée, mais cela n'a pas non plus permis d'obtenir la précision requise.

Cellulaire

L'infrastructure de réseau cellulaire largement déployée aujourd'hui peut être utilisée pour aider à localiser une personne (ou plus précisément, un appareil intelligent activé SIM ou E-SIM) dans un environnement extérieur. Bien que la connectivité cellulaire soit disponible dans les environnements intérieurs, elle ne produit actuellement pas de mesures précises, fiables ou suffisamment rapides pour notre cas d'utilisation. La distanciation sociale est pertinente à la fois dans les environnements intérieurs et extérieurs, donc notre discussion sur la localisation cellulaire continue de se concentrer sur les applications extérieures.

Au cours des dernières années, nous avons assisté à une croissance technologique considérable dans la technologie cellulaire, dont certaines en font un candidat clé pour une utilisation dans les applications de localisation. Avec les réseaux cellulaires actuels prenant en charge le GPS assisté (A-GPS), l'identification cellulaire améliorée (E-CID) et la distance temporelle d'arrivée observée (OTDOA), la précision de la localisation du cellulaire s'est considérablement améliorée.

Avantages  : L'un des plus grands avantages de la mesure de distance cellulaire est qu'elle ne nécessite pas d'infrastructure matérielle supplémentaire; il peut fonctionner sur des réseaux existants. De plus, la plupart de la population mondiale possède au moins un appareil intelligent équipé d'un cellulaire. Le déploiement ne nécessite donc qu'une application mobile et une certaine capacité de traitement de données sur le réseau.

Comment ça marche : Dans les environnements extérieurs, les techniques de localisation cellulaire utilisent les algorithmes mentionnés ci-dessus, à savoir A-GPS, E-CID et OTDOA. Ici, E-CID améliore la précision du CID en ajoutant des données de référence telles que les niveaux RSS et les informations RTT qui sont utilisées pour trianguler et calculer les coordonnées de localisation. E-CID est également capable d'utiliser les informations d'angle d'arrivée (AoA) pour améliorer la précision globale. Grâce à ces techniques, les protocoles cellulaires actuels basés sur LTE (3/4G) sont capables d'une précision de mesure de distance en extérieur jusqu'à une portée de 5 à 10 mètres. Adéquat si vous perdez votre téléphone, mais pas assez précis pour notre cas d'utilisation.

De nombreux opérateurs de télécommunications dans le monde déploient activement de nouveaux réseaux cellulaires 5G, et la 5G présente des caractéristiques de performances qui pourraient en faire un excellent candidat pour les plateformes de distanciation sociale de nouvelle génération. Des tests supplémentaires pour notre cas d'utilisation le confirmeront, mais étant donné l'état du déploiement de la 5G, cela n'a pas été pris en compte pour notre projet.

La 5G comprend des technologies clés telles que les communications mmWave, les communications d'appareil à appareil (D2D) et les réseaux ultra-denses (UDN), qui contribuent à sa capacité de localisation de haute précision. Les techniques de positionnement exploitant les communications mmWave sont basées sur la validation des mesures de triangulation et d'angle de différences d'arrivée (ADOA). Les simulations montrent que les méthodes de triangulation-validation et ADOA peuvent atteindre une précision inférieure au mètre avec une probabilité de 85 % et 70 %, respectivement, dans une zone intérieure de 18 x 16 m [2]. La précision de la localisation peut être encore améliorée en implémentant des algorithmes de filtrage de Kalman.

Les technologies 5G de nouvelle génération permettront également des antennes à réseau directionnel ou linéaire, ce qui contribuera à rendre les techniques de positionnement cellulaires viables également pour les applications intérieures. Ici, les principes de base de l'AoA et de l'heure d'arrivée (ToA) sont utilisés pour la mesure de l'emplacement.

Résumé : Adaptés aux environnements extérieurs où l'infrastructure de réseau cellulaire est entièrement déployée, les protocoles cellulaires 3/4G existants ne peuvent fournir qu'une précision de distance de 10 mètres, ce qui ne convient pas à notre cas d'utilisation. Alors que les futures générations de 5G sont sur la bonne voie pour atteindre une précision de distance inférieure au mètre - peut-être inférieure avec les nouvelles techniques - la couverture de déploiement n'est pas suffisante à l'heure actuelle pour faire des solutions 5G un choix viable pour nos besoins. Et l'adéquation de la 5G à la localisation en intérieur n'a toujours pas été testée.

ULB

Contrairement à ses homologues Bluetooth et Wi-Fi, UWB fonctionne sur un large spectre de fréquences GHz, de 3,1 à 10,6 GHz. Bien que l'UWB ne soit pas aussi largement déployé que les autres protocoles, il possède des propriétés uniques qui en font un excellent candidat pour notre projet de distanciation sociale ainsi que pour les futurs cas d'utilisation de positionnement en intérieur.

Avantages : L'UWB peut être utilisé pour capturer des données spatiales et directionnelles très précises et peut maintenir une précision de mesure au niveau centimétrique sur des distances courtes à moyennes. La précision de mesure UWB est capable d'une précision de distance jusqu'à 5-10 cm selon le cas d'utilisation. En raison de ses caractéristiques uniques telles qu'une résolution élevée dans le domaine temporel, l'immunité aux trajets multiples, une mise en œuvre à faible coût, une faible consommation d'énergie, une bonne pénétration et des signaux UWB à large bande passante (au moins 500 MHz comme spécifié par la FCC), la technologie radio UWB à impulsions a la capacité de générer des impulsions gaussiennes de très courte durée dans le domaine temporel, ce qui offre certains avantages par rapport à d'autres technologies RF sans fil. Sa large bande passante lui confère également une immunité comparativement meilleure à la propagation par trajets multiples et aux interférences à bande étroite répandues dans d'autres technologies de communication, car ces types d'interférences n'affectent qu'une partie du spectre.

L'UWB a une bonne pénétration dans les matériaux solides, tels que les murs et autres structures, de sorte qu'il peut fonctionner de manière plus cohérente dans les environnements NLOS. Et un avantage clé pour notre conception à petit facteur de forme, l'UWB nous a permis d'utiliser des antennes plus petites en raison de l'augmentation de la fréquence de fonctionnement et le circuit RF était plus simple, même si les taux de transfert de données sont plus élevés.

Comment ça marche : Dans la communication UWB, des impulsions ultracourtes sont utilisées pour communiquer les données, ce qui permet une estimation de haute précision d'une distance dans les deux sens en utilisant la durée ou le temps de vol (TOF) des signaux. Plus la densité spectrale est élevée, plus la robustesse est élevée dans les environnements à trajets multiples et donc des capacités de télémétrie (mesure de distance) plus précises.

Dans le cadre de notre évaluation UWB, nous avons reçu un chipset UWB à impulsions à faible débit (LRP) de Renesas. Le principal avantage de LRP est une consommation d'énergie 10 fois inférieure à celle des autres solutions UWB standard, ce qui en fait une solution idéale pour notre appareil portable fonctionnant sur batterie. Par exemple, en mode de transmission, la consommation d'énergie typique pour les impulsions à haut débit UWB (HRP) varie de 100 à 120 mA, où UWB LRP consomme généralement de 10 à 20 mA. Les appareils basés sur la norme LRP ne sont normalement pas utilisés pour les applications de télémétrie, mais la dernière norme IEEE 802.15.4z leur permet de fonctionner en mode de consommation d'énergie ultra-faible tout en permettant des capacités de télémétrie sécurisées à l'aide des mécanismes TOF aller-retour que nous avons utilisés dans les calculs de distance.

Dans cette première phase de notre projet, nous avons généralement mesuré la précision de distance de l'UWB LRP à moins de 20-30 cm. Pour les environnements LOS clairs, plus proches de 20 cm ; et pour les environnements NLOS, plus proche de 30 cm. Dans la prochaine phase du projet, la précision et la fiabilité de la distance seront affinées pour se rapprocher des 10 cm nécessaires.

Comparé au BLE et au Wi-Fi, l'UWB fonctionne sur la radio à impulsions en rafale courte de Tx à Rx. En combinaison avec sa large bande passante, cela réduit la latence à moins de ms car aucun décodage ou modulation n'est requis.

Résumé : Sur la base d'une évaluation de facteurs clés tels que la précision de la mesure de distance, la fiabilité, le facteur de forme/taille, les performances dans l'environnement de déploiement typique, la latence, la faible consommation d'énergie, l'évolutivité et la sensibilité réduite aux interférences, nous avons conclu que UWB LRP - exploité dans le nouveau chipset de Renesas - était la meilleure technologie sans fil pour une mesure précise de la distance de notre projet de distanciation sociale.

Nous avons finalisé la plate-forme de distanciation sociale en utilisant à la fois BLE et UWB (Figure 4). Cela nous a donné les avantages de la mesure de distance de haute précision et de la cohérence d'UWB, ainsi que l'efficacité énergétique du BLE pour une détection de proximité toujours active lors de la détection d'un appareil dans l'environnement local. Dans notre application, BLE prend également en charge le transfert des données d'alerte historiques et des mesures de distance réelles vers une application mobile.

Figure 4 :La plate-forme POC finale utilise une combinaison de LRP BLE et UWB pour une utilisation optimale de l'énergie. (Source :Altran)

Un choix clair pour un bracelet de distanciation sociale