Memilih Ultra-Wideband untuk Wearable Jarak Aman yang Akurat
Jarak aman tetap menjadi landasan mitigasi COVID-19, dan pengukuran jarak yang akurat serta latensi rendah sangat penting untuk wearable apa pun yang bertujuan untuk memperingatkan pengguna ketika buffer 6-kaki (2-meter) yang direkomendasikan dilanggar.
Altran bekerjasama dengan pemimpin semiconductor Renesas untuk menciptakan platform jam tangan cerdas yang memanfaatkan teknologi ultra-wideband (UWB). Artikel ini menguraikan fase pertama dari kolaborasi tersebut—mengevaluasi protokol nirkabel untuk memenuhi persyaratan akurasi, daya, ukuran, dan pengalaman pengguna yang ketat.
Perangkat kecil dengan daftar kebutuhan yang panjang
Tujuan kami adalah merancang platform jarak aman kompakt yang dapat dibangun di sekitar IC Renesas. Prototipe jam tangan volume rendah menunjukkan fungsi inti—pemantauan, peringatan, dan kegunaan (Gambar 1).
Gambar 1. Prototipe jam tangan yang memperingatkan pemakai ketika perangkat lain berada dalam jarak aman yang ditentukan pengguna. (Sumber: Altran)
Bentuk wearable menuntut solusi nirkabel yang memenuhi kriteria berikut:
Pengukuran jarak yang akurat – Penting untuk peringatan yang andal dan untuk menghilangkan false positive.
Ketahanan terhadap lingkungan – Harus beroperasi di dalam dan luar ruangan, dalam kondisi garis pandang (LOS) dan non-LOS (NLOS), dan dalam setting dinamis dengan objek yang bergerak.
Latensi rendah – Peringatan harus disampaikan dengan cukup cepat untuk pemakai dapat bereaksi.
Kompak – Stack nirkabel harus muat dalam jam tangan ringan.
Efisiensi daya – Umur baterai harus tetap dapat diterima saat melakukan pemantauan proximity berkelanjutan.
Skalabilitas – Sistem harus menangani banyak target bersamaan dalam kerumunan.
Semua teknologi nirkabel menggunakan kombinasi capture sinyal (berbasis waktu, sudut, atau kekuatan sinyal yang diterima) dan teknik positioning (triangulasi atau trilaterasi) untuk memperkirakan jarak atau lokasi (Gambar 2).
Gambar 2: Teknik pengukuran jarak/lokasi tipikal. (Sumber: Altran)
Evaluasi teknologi nirkabel
Kami memeriksa Wi-Fi, selular, Bluetooth Low Energy (BLE), dan ultra-wideband (UWB). Data akurasi yang dipublikasikan (Gambar 3) menghilangkan banyak protokol untuk use case kami, namun masing-masing masih menawarkan keuntungan yang layak perhatian.
Gambar 3. Akurasi pengukuran jarak dari teknologi nirkabel tipikal. (Sumber: Altran, menggunakan referensi yang dipublikasikan [1])
Wi-Fi
Kesesuaian Wi-Fi dan peningkatan round-trip time (RTT) terbaru membuatnya menarik untuk positioning indoor. Namun, bahkan dengan RTT, akurasi RSSI-basis tipikal hanya mencapai 1–3 m 75–85 % waktu dan menurun dalam NLOS atau lingkungan yang sangat reflektif. Wi-Fi juga memerlukan jaringan access point, yang membatasi transisi indoor-ke-outdoor yang mulus dan menambah kompleksitas infrastruktur.
BLE
BLE menawarkan konsumsi daya rendah dan deployment mudah melalui perangkat pintar yang ada. Laju sampling yang lebih tinggi meningkatkan estimasi jarak dibandingkan Wi-Fi, namun fading cepat, interferensi, dan hambatan manusia masih membatasi akurasi sekitar 2 m dalam praktik. BLE sendirian tidak dapat memenuhi presisi sub-meter yang diperlukan untuk peringatan jarak aman.
Selular
Positioning selular outdoor (A-GPS, E-CID, OTDOA) memberikan akurasi 5–10 m dengan jaringan 3G/4G saat ini—tidak cukup untuk target kami. 5G mmWave, device-to-device, dan networking ultra-dense menjanjikan akurasi sub-meter, namun cakupan global dan適用abilitas indoor masih terbatas saat ini.
UWB
UWB beroperasi di seluruh 3,1–10,6 GHz, memberikan akurasi jarak tingkat sentimeter melalui resolusi domain waktu tinggi dan imunitas terhadap multipath. Sinyal impuls short-burst-nya memberikan latensi sub-milidetik, dan bandwidth luas mengurangi interferensi narrow-band. Pentingnya, penetrasi tinggi UWB memungkinkan performa NLOS yang andal, dan frekuensi operasi yang lebih tinggi memungkinkan antena yang lebih kecil—kritis untuk jam tangan.
Renesas menyediakan chipset UWB low-rate pulse (LRP) yang mengonsumsi 10–20 mA dalam mode transmit versus 100–120 mA untuk solusi high-rate. Memanfaatkan IEEE 802.15.4z, LRP mendukung ranging round-trip time-of-flight yang aman sambil tetap ultra-hemat daya. Dalam fase 1, kami mencapai akurasi 20–30 cm dalam lingkungan LOS/NLOS, dengan penyesuaian lebih lanjut yang diharapkan mencapai tujuan 10 cm.
Menggabungkan BLE dan UWB memungkinkan kami untuk memanfaatkan presisi UWB ketika target terdeteksi, sementara BBLE menangani deteksi proximity hemat daya dan offloading data ke aplikasi mobile.
Gambar 4: Platform proof-of-concept akhir yang menggabungkan BLE dan UWB LRP untuk daya dan akurasi optimal. (Sumber: Altran)
Pilihan yang jelas untuk wearable jarak aman
Altran dan Renesas telah mendemonstrasikan bahwa platform berbasis UWB memberikan akurasi, latensi, dan efisiensi daya yang diperlukan untuk wearable jarak aman yang andal. Arsitektur menskala di luar jam tangan ke setiap bentuk IoT yang menuntut positioning indoor dan outdoor yang presisi, menjadikannya cocok untuk contact tracing, pelacakan aset, dan sebagainya.
