Saat akurasi penting:Menilai teknologi untuk perangkat jarak sosial yang dapat dikenakan

Dalam proyek ini, tujuan kami adalah menciptakan platform jarak sosial tertanam yang cocok untuk aplikasi yang dapat dikenakan yang memanfaatkan teknologi Renesas IC. Sebagai bukti konsep, prototipe gelang berdasarkan platform ini juga dirancang dan diproduksi dalam volume rendah untuk menunjukkan fungsionalitas (pemantauan dan peringatan) dan pengalaman pengguna dalam kasus penggunaan jarak sosial (Gambar 1).

Gambar 1. Prototipe gelang memperingatkan pemakainya ketika perangkat kedua terdeteksi dalam jarak aman yang ditentukan pengguna. (Sumber:Altran)

Faktor bentuk yang dapat dikenakan menentukan kebutuhan akan satu atau beberapa teknologi nirkabel, pilihan yang berpusat pada beberapa persyaratan dasar.

• Pengukuran jarak yang akurat – untuk peringatan akurat dan tidak ada peringatan palsu. Sejauh ini, untuk kasus penggunaan kami, kriteria terpenting untuk memilih protokol nirkabel adalah kemampuannya untuk mengukur jarak dengan tingkat akurasi yang mampu membedakan antara jarak aman dan tidak aman. Akurasi pengukuran juga merupakan kunci untuk menghilangkan (atau sangat mengurangi) jumlah peringatan palsu yang disebabkan oleh pengukuran jarak yang tidak tepat. Menerima peringatan yang mungkin atau mungkin tidak sama dengan jarak yang tidak aman membuat pengguna kesulitan untuk menguraikan ancaman nyata vs. palsu.
• Dampak lingkungan fisik. Protokol nirkabel harus terpengaruh secara minimal oleh lingkungan fisik dari skenario penggunaan biasa. Perangkat, dengan kata lain, harus mampu memberikan pengukuran yang akurat dan berulang baik digunakan di dalam maupun di luar ruangan, dalam situasi garis pandang (LOS) atau non-LOS (NLOS), dan dalam lingkungan yang dinamis, seperti yang memiliki banyak memindahkan objek atau mengubah LOS.
• Latensi rendah. Agar efektif, waktu respons antara deteksi ancaman dan peringatan pengguna harus cukup cepat sehingga pengguna memiliki waktu untuk mengambil tindakan pencegahan dan/atau tindakan pencegahan yang diperlukan.
• Faktor bentuk. Di perangkat yang dapat dikenakan, teknologi nirkabel harus ringan dan kecil.
• Efisiensi daya. Perangkat yang dapat dikenakan dioperasikan dengan baterai, tetapi deteksi – objek, orang, sinyal, dll. – biasanya melibatkan sensor, komponen yang tidak diketahui efisiensi dayanya. Untuk kasus penggunaan kami, sangat penting untuk merancang solusi nirkabel dengan efisiensi daya yang luar biasa, di semua mode operasi, untuk memberikan masa pakai baterai yang diharapkan di antara pengisian daya.
• Skalabilitas. Kasus penggunaan jarak sosial, menurut definisi, melibatkan banyak orang dan sering kali kerumunan, sehingga solusi nirkabel harus dapat memberikan pengukuran jarak yang andal dan akurat untuk beberapa target simultan.

Secara umum, setiap teknologi nirkabel mendukung pengukuran jarak dan lokasi menggunakan beberapa kombinasi penangkapan sinyal (menggunakan metode berbasis waktu, posisi sudut, atau sinyal yang diterima) dan teknik penentuan posisi (menggunakan metode triangulasi atau trilaterasi) (Gambar 2).

Gambar 2:Teknik pengukuran jarak/lokasi yang umum. (Sumber:Altran)

Mengevaluasi teknologi nirkabel

Kami mengevaluasi beberapa protokol nirkabel yang tersedia secara komersial untuk menilai seberapa baik mereka dapat memenuhi persyaratan kami untuk jarak sosial yang dapat dikenakan. Kandidat kami termasuk Wi-Fi, seluler, Bluetooth Low Energy (BLE) dan ultra-wideband (UWB). Secara umum, spesifikasi akurasi jarak/posisi yang diketahui dari masing-masing protokol menghilangkan banyak (Gambar 3), tetapi ada manfaat yang perlu diperhatikan di sini.

Gambar 3. Akurasi pengukuran jarak pada teknologi nirkabel biasa. (Sumber:Altran, menggunakan referensi yang diterbitkan [1])

Wi-Fi

Kami melihat Wi-Fi terlebih dahulu, hanya karena keberadaannya di mana-mana. Penyebarannya yang luas di lingkungan dalam ruangan menjadikannya solusi yang menjanjikan untuk kasus penggunaan jarak sosial di dalam gedung, terutama di struktur kompleks seperti bandara, gang dan garasi parkir, atau lokasi bawah tanah di mana GPS dan teknologi satelit lainnya mungkin tidak tersedia atau memberikan akurasi rendah. .

Pro: Karena adopsi Wi-Fi yang meluas dan kenyamanan pengaturan jaringan Wi-Fi, solusi dapat diterapkan dengan cepat untuk penentuan posisi pengguna dengan biaya dan upaya yang sangat rendah. Selain itu, dengan kemajuan terkini dalam penentuan posisi dalam ruangan berbasis Wi-Fi, Wi-Fi dapat memberikan layanan lokasi yang andal dan lebih tepat (dibandingkan teknologi Wi-Fi lama) yang cocok untuk beberapa aplikasi jarak sosial.

Cara kerjanya: Dalam sistem Wi-Fi, pemancar nirkabel, yang dikenal sebagai titik akses nirkabel (AP), diperlukan untuk mengirimkan sinyal radio untuk berkomunikasi dengan perangkat pengguna di area jangkauannya. Cara paling umum dan termudah untuk mendukung pemosisian dalam ruangan adalah dengan menghitung lokasi pengguna berdasarkan indikator kekuatan sinyal yang diterima (RSSI) dari sinyal dari perangkat pengguna. Akurasi RSSI berada di kisaran 10+ meter, dikurangi menjadi sekitar 1-3 meter. 75-85% dari waktu saat menggunakan teknologi Wi-Fi round-trip time (RTT) yang lebih baru.

Ringkasan: Dengan kemajuan Wi-Fi saat ini, seperti RTT, akurasi sistem pelokalan telah meningkat secara signifikan, sehingga diadopsi untuk banyak aplikasi penentuan posisi dalam ruangan. Tetapi akurasi jarak hingga 1 meter masih belum mencukupi untuk kasus penggunaan jarak sosial kami. Selain itu, Wi-Fi mungkin tidak efektif di lingkungan dalam ruangan yang dinamis dan rumit karena efek lingkungan NLOS, di mana sinyal dapat disebarkan oleh bayangan rintangan atau orang.

Teknologi berbasis Wi-Fi juga digunakan terutama untuk lingkungan indoor dan indoor yang berdekatan karena memerlukan beberapa AP untuk lokalisasi yang mungkin tidak memberikan transisi mulus di lingkungan indoor-outdoor atau layak di lingkungan outdoor. AP Wi-Fi juga memerlukan infrastruktur tambahan seperti daya dan perlindungan dari elemen, membuatnya lebih rumit untuk diterapkan.

BLE

Dengan pertumbuhan eksplosif perangkat berkemampuan Bluetooth di lingkungan dalam dan luar ruangan, kami juga mempertimbangkan teknologi BLE untuk solusi kami.

Pro: BLE digunakan untuk komunikasi nirkabel jarak pendek (2,4 hingga 2,485 GHz); dan teknologi lokalisasinya memiliki beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan Wi-Fi. Sinyal BLE memiliki laju sampel yang lebih tinggi (yaitu, 0,25 Hz hingga 2 Hz), memberikan lebih banyak data untuk memperkirakan jarak. Teknologi BLE juga lebih hemat daya, sehingga lebih cocok untuk perangkat wearable. Dan sinyal BLE dapat diperoleh dari sebagian besar perangkat pintar, sedangkan sinyal Wi-Fi hanya dapat diperoleh dari AP. Terakhir, suar BLE mampu menggunakan daya baterai, sehingga lebih fleksibel dan lebih mudah digunakan daripada titik akses Wi-Fi.

Cara kerjanya: Lokalisasi berbasis Bluetooth dianggap sebagai pendekatan praktis di lingkungan dalam dan dalam ruangan yang berdekatan (teras luar ruangan, dek, dll.). Skema lokalisasi dalam ruangan mengumpulkan pengukuran RSSI untuk mendeteksi lokasi pengguna dengan menggunakan mekanisme triangulasi dengan data dari perangkat Bluetooth lain.

Meskipun lokalisasi dalam ruangan berbasis BLE dapat mencapai kinerja yang lebih baik daripada sistem lokalisasi Wi-Fi serupa, teknologi BLE sangat dipengaruhi oleh pemudaran cepat dan interferensi yang mengarah ke akurasi jarak rendah saat mendeteksi perangkat lain. Akurasi juga sangat dipengaruhi oleh saluran iklan BLE, pergerakan manusia, dan rintangan manusia. Metode yang diusulkan untuk meningkatkan akurasi telah mencapai hasil hingga 2 meter.

Ringkasan :Menjanjikan untuk beberapa aplikasi jarak sosial, teknologi Bluetooth tidak menawarkan konsistensi dan akurasi pengukuran jarak untuk perangkat jarak sosial kami yang dapat dikenakan. Menggabungkan teknologi Bluetooth dan Wi-Fi juga dipelajari, tetapi ini juga tidak menghasilkan akurasi yang dibutuhkan.

Seluler

Infrastruktur jaringan seluler yang digunakan secara luas saat ini dapat digunakan untuk membantu menemukan seseorang (atau lebih tepatnya, perangkat pintar berkemampuan SIM atau E-SIM aktif) dalam lingkungan luar ruangan. Meskipun konektivitas seluler tersedia dalam lingkungan dalam ruangan, saat ini tidak menghasilkan pengukuran yang akurat, andal, atau cukup cepat untuk kasus penggunaan kami. Jarak sosial relevan dalam pengaturan dalam dan luar ruangan, jadi diskusi kami tentang pelokalan seluler terus berfokus pada aplikasi luar ruangan.

Selama beberapa tahun terakhir, kami telah melihat pertumbuhan teknologi yang luar biasa dalam teknologi seluler, beberapa di antaranya menjadikannya kandidat utama untuk digunakan dalam aplikasi pemosisian lokasi. Dengan jaringan seluler saat ini yang mendukung Assisted GPS (A-GPS), Enhanced Cell ID (E-CID), dan observasi jarak waktu kedatangan (OTDOA), akurasi lokasi seluler telah meningkat secara signifikan.

Pro : Salah satu keuntungan terbesar dari pengukuran jarak berbasis seluler adalah tidak memerlukan infrastruktur perangkat keras tambahan; dapat beroperasi pada jaringan yang ada. Selain itu, sebagian besar populasi global memiliki setidaknya satu perangkat pintar yang dilengkapi seluler, sehingga penerapan hanya memerlukan aplikasi seluler dan beberapa kapasitas pemrosesan data di jaringan.

Cara kerjanya: Di lingkungan luar ruangan, teknik lokalisasi seluler menggunakan algoritma yang disebutkan di atas, yaitu A-GPS, E-CID dan OTDOA. Di sini, E-CID meningkatkan akurasi CID dengan menambahkan data referensi seperti tingkat RSS dan informasi RTT yang digunakan untuk melakukan triangulasi dan menghitung koordinat lokasi. E-CID juga mampu menggunakan informasi angle-of-arrival (AoA) untuk meningkatkan akurasi secara keseluruhan. Melalui teknik ini, protokol seluler berbasis LTE saat ini (3/4G) mampu melakukan akurasi pengukuran jarak dalam pengaturan luar ruangan hingga kisaran 5-10 meter. Memadai jika Anda kehilangan ponsel, tetapi tidak cukup akurat untuk kasus penggunaan kami.

Banyak perusahaan telekomunikasi di seluruh dunia secara aktif menyebarkan jaringan seluler 5G baru, dan 5G memiliki karakteristik kinerja yang dapat menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk platform jarak sosial generasi berikutnya. Pengujian lebih lanjut untuk kasus penggunaan kami akan membuktikan hal ini, tetapi mengingat status penerapan 5G, itu tidak dipertimbangkan untuk proyek kami.

5G mencakup teknologi utama seperti komunikasi mmWave, komunikasi perangkat-ke-perangkat (D2D) dan jaringan ultra-padat (UDN), yang berkontribusi pada kapasitasnya untuk pelokalan presisi tinggi. Teknik penentuan posisi yang memanfaatkan komunikasi mmWave didasarkan pada validasi pengukuran triangulasi dan sudut perbedaan kedatangan (ADOA). Simulasi menunjukkan bahwa metode triangulate-validate dan ADOA dapat mencapai akurasi submeter dengan probabilitas masing-masing 85% dan 70%, di dalam ruangan seluas 18 x 16 m [2]. Akurasi pelokalan dapat lebih ditingkatkan dengan menerapkan algoritma penyaringan Kalman.

Teknologi 5G generasi berikutnya juga akan mengaktifkan antena array directional atau linier, yang akan membantu membuat teknik penentuan posisi berbasis seluler yang layak untuk aplikasi dalam ruangan juga. Di sini, prinsip dasar AoA dan waktu kedatangan (ToA) digunakan untuk pengukuran lokasi.

Ringkasan: Cocok untuk lingkungan luar ruangan di mana infrastruktur jaringan seluler diterapkan sepenuhnya, protokol seluler 3/4G yang ada hanya dapat memberikan akurasi jarak hingga 10 meter, tidak cocok untuk kasus penggunaan kami. Sementara generasi 5G masa depan berada di jalur yang tepat untuk mencapai akurasi jarak sub-meter – mungkin lebih rendah dengan teknik baru – cakupan penerapan saat ini tidak cukup untuk menjadikan solusi 5G sebagai pilihan yang layak untuk kebutuhan kita. Dan kesesuaian 5G untuk lokalisasi dalam ruangan masih belum teruji.

UWB

Tidak seperti rekan-rekan Bluetooth dan Wi-Fi, UWB beroperasi pada spektrum frekuensi GHz yang luas, dari 3,1 hingga 10,6 GHz. Meskipun UWB tidak digunakan secara luas seperti protokol lainnya, UWB memiliki beberapa properti unik yang menjadikannya kandidat yang sangat baik untuk proyek jarak sosial kami serta kasus penggunaan penentuan posisi dalam ruangan di masa mendatang.

Pro: UWB dapat digunakan untuk menangkap data spasial dan arah yang sangat akurat dan dapat mempertahankan akurasi pengukuran pada tingkat sentimeter dalam rentang jarak pendek hingga menengah. Akurasi pengukuran UWB mampu akurasi jarak hingga 5-10 cm tergantung use case. Karena karakteristik uniknya seperti resolusi domain waktu tinggi, kekebalan multipath, implementasi berbiaya rendah, konsumsi daya rendah, penetrasi yang baik dan sinyal UWB bandwidth lebar (setidaknya 500 MHz seperti yang ditentukan oleh FCC), teknologi radio impuls UWB memiliki kemampuan untuk menghasilkan pulsa Gaussian berdurasi sangat pendek dalam domain waktu, yang memungkinkan beberapa keuntungan jika dibandingkan dengan teknologi RF nirkabel lainnya. Bandwidth yang lebar juga memberikan kekebalan yang relatif lebih baik terhadap propagasi multipath dan interferensi pita sempit yang lazim di teknologi komunikasi lainnya, karena jenis interferensi ini hanya memengaruhi sebagian spektrum.

UWB memiliki penetrasi yang baik pada material padat, seperti dinding dan struktur lainnya, sehingga dapat bekerja lebih konsisten di lingkungan NLOS. Dan keuntungan utama untuk desain faktor bentuk kecil kami, UWB memungkinkan kami menggunakan antena yang lebih kecil karena peningkatan frekuensi operasi dan sirkuit RF lebih sederhana, meskipun kecepatan transfer data lebih tinggi.

Cara kerjanya: Dalam komunikasi UWB, pulsa ultrashort digunakan untuk mengomunikasikan data, yang memungkinkan estimasi presisi tinggi dari jarak dua arah menggunakan durasi atau waktu penerbangan (TOF) untuk sinyal. Semakin tinggi densitas spektral memberikan lebih banyak kekokohan di lingkungan multi-jalur dan karenanya kemampuan jangkauan (pengukuran jarak) yang lebih akurat.

Sebagai bagian dari evaluasi UWB kami, kami diberikan chipset UWB low-rate pulse (LRP) dari Renesas. Keuntungan utama LRP adalah konsumsi daya hingga 10 kali lebih rendah daripada solusi UWB standar lainnya, dan karenanya sangat cocok untuk perangkat wearable kami yang dioperasikan dengan baterai. Misalnya, dalam mode transmisi, konsumsi daya tipikal untuk pulsa tingkat tinggi (HRP) UWB berkisar antara 100 – 120mA, di mana LRP UWB biasanya menarik 10-20mA. Perangkat berbasis standar LRP biasanya tidak digunakan untuk aplikasi jarak jauh, tetapi standar terbaru IEEE 802.15.4z memungkinkan perangkat tersebut beroperasi dalam mode konsumsi daya sangat rendah sekaligus memungkinkan kemampuan jangkauan aman menggunakan mekanisme TOF bolak-balik yang kami gunakan dalam penghitungan jarak.

Dalam fase pertama proyek kami ini, kami biasanya mengukur akurasi jarak UWB LRP dalam 20-30 cm. Untuk lingkungan LOS yang jelas, mendekati 20 cm; dan untuk lingkungan NLOS, mendekati 30 cm. Pada fase proyek berikutnya, akurasi dan keandalan jarak akan disetel lebih jauh untuk mencapai jarak yang lebih dekat dengan 10 cm yang dibutuhkan.

Jika dibandingkan dengan BLE dan Wi-Fi, UWB bekerja pada radio impuls short-burst dari Tx ke Rx. Dikombinasikan dengan bandwidthnya yang lebar, ini mengurangi latensi hingga sub-ms karena tidak diperlukan decoding atau modulasi.

Ringkasan: Berdasarkan evaluasi faktor-faktor utama seperti akurasi pengukuran jarak, keandalan, faktor bentuk/ukuran, kinerja di lingkungan penerapan yang umum, latensi, konsumsi daya rendah, skalabilitas, dan berkurangnya sensitivitas terhadap interferensi, kami menyimpulkan bahwa  UWB LRP – dimanfaatkan dalam versi baru chipset dari Renesas – adalah teknologi nirkabel terbaik untuk pengukuran jarak akurat proyek jarak sosial kami.

Kami menyelesaikan platform jarak sosial yang menggunakan kombinasi BLE dan UWB (Gambar 4). Ini memberi kami keuntungan dari pengukuran dan konsistensi jarak presisi tinggi UWB serta efisiensi daya BLE untuk deteksi kedekatan yang selalu aktif saat merasakan perangkat dalam lingkungan lokal. Dalam aplikasi kami, BLE juga mendukung mendorong data peringatan historis dan pengukuran jarak aktual ke aplikasi seluler.

Gambar 4:Platform POC terakhir menggunakan kombinasi BLE dan UWB LRP untuk pemanfaatan daya yang optimal. (Sumber:Altran)

Pilihan yang jelas untuk gelang jarak sosial