当准确性很重要时：评估社交距离可穿戴设备的技术

社交距离是缓解 COVID-19 的基石；它继续在降低病毒暴露和传播风险方面发挥重要作用。虽然世界卫生当局已经确定 6 英尺（2 米）是一个安全距离，但设计用于帮助消费者感知社交距离和发出警报的设备已被证明具有挑战性，因为它们的核心功能依赖于准确、低延迟的距离测量。

在最近的一次合作中，Altran 与半导体公司瑞萨电子合作开发了一种智能可穿戴设备/平台，并基于超宽带 (UWB) 技术制作了一个社交距离腕带原型。当在用户指定的“安全”距离内检测到第二个设备时，腕带会提醒佩戴者。本文分享了该项目第一阶段的见解：评估无线协议以满足精确距离测量要求的过程，同时保持其他关键平台要求（如能效、尺寸和用户体验）的平衡。

具有大量要求的小型设备

在这个项目中，我们的目标是创建一个嵌入式社交距离平台，适用于利用瑞萨 IC 技术的可穿戴应用。作为概念验证，还设计并小批量制造了基于该平台的腕带原型，以展示社交距离用例中的功能（监控和警报）和用户体验（图 1）。

图 1. 当在用户指定的安全距离内检测到第二个设备时，腕带原型会向佩戴者发出警报。 （来源：亚创）

可穿戴设备的外形决定了对一种或多种无线技术的需求，这些技术的选择围绕着一些基本要求。

• 准确的距离测量 - 提供准确的警报和无误警报。 到目前为止，对于我们的用例，选择无线协议的最重要标准是它能够以能够区分安全距离和不安全距离的精度水平测量距离。测量精度也是消除（或大幅减少）由不精确距离测量引起的误报数量的关键。接收可能等同于或可能不等同于不安全距离的警报使用户难以辨别真假威胁。
• 物理环境的影响。 无线协议应受典型使用场景的物理环境影响最小。换言之，该设备需要能够提供准确且可重复的测量，无论是在室内还是室外、视线 (LOS) 或非 LOS (NLOS) 情况下，以及在动态环境中，例如具有许多移动物体或改变 LOS。
• 低延迟。 为了有效，威胁检测和用户警报之间的响应时间必须足够快，以便用户有时间采取预防措施和/或所需的预防措施。
• 外形。 在可穿戴设备中，无线技术必须轻便小巧。
• 电源效率。 可穿戴设备由电池供电，但检测物体、人、信号等通常涉及传感器，这些组件的功率效率并不高。对于我们的用例，设计一个在所有操作模式下都具有卓越能效的无线解决方案至关重要，以在两次充电之间提供预期的电池寿命。
• 可扩展性。 根据定义，社交距离用例涉及多人且通常是人群，因此无线解决方案必须能够为多个同时发生的目标提供可靠且准确的距离测量。

一般来说，每种无线技术都支持使用一些组合信号捕获（使用基于时间、角度位置或接收信号方法）和定位技术（使用三角测量或三边测量方法）的距离和位置测量（图 2）。

图 2：典型的距离/位置测量技术。 （来源：亚创）

评估无线技术

我们评估了几种商用无线协议，以评估它们如何满足我们对社交距离可穿戴设备的要求。我们的候选产品包括 Wi-Fi、蜂窝、蓝牙低功耗 (BLE) 和超宽带 (UWB)。总的来说，每个协议的已知距离/位置精度规范消除了许多协议（图 3），但这里有值得一提的优点。

图 3. 典型无线技术的距离测量精度。 （来源：Altran，使用已发表的参考文献 [1]）

无线网络

我们首先研究 Wi-Fi，因为它无处不在。它在室内环境中的广泛部署使其成为建筑物内社交距离用例的有前途的解决方案，特别是在复杂的结构中，例如机场、小巷和停车场，或 GPS 和其他卫星技术可能不可用或精度低的地下位置.

优点： 由于 Wi-Fi 的广泛采用和 Wi-Fi 网络设置的便利性，可以以极低的成本和精力快速部署解决方案进行用户定位。此外，随着基于 Wi-Fi 的室内定位的最新进展，Wi-Fi 可以提供可靠且更精确的定位服务（比旧的 Wi-Fi 技术），适用于某些社交距离应用。

工作原理： 在 Wi-Fi 系统中，需要一个称为无线接入点 (AP) 的无线发射器来传输无线电信号，以便与其覆盖区域内的用户设备进行通信。支持室内定位的最常见和最简单的方法是根据从用户设备接收到的信号的信号强度指示 (RSSI) 来计算用户的位置。 RSSI 精度在 10+ 米的范围内，大约减少到 1-3 米。 75-85% 的时间使用较新的 Wi-Fi 往返时间 (RTT) 技术。

总结： 随着 Wi-Fi 的当前进步，例如 RTT，定位系统的准确性已显着提高，导致其被许多室内定位应用采用。但是对于我们的社交距离用例来说，低至 1 米的距离精度仍然不够。此外，由于NLOS环境的影响，Wi-Fi在动态复杂的室内环境中可能无法有效，信号可能会被障碍物阴影或人分散。

基于 Wi-Fi 的技术也主要用于室内和室内相邻环境，因为它需要多个 AP 进行定位，这可能无法在室内-室外环境中提供无缝转换或在室外环境中是可行的。 Wi-Fi AP 还需要额外的基础设施，例如电源和元件保护，这使得它们的部署更加复杂。

低功耗

随着蓝牙设备在室内和室外环境中的爆炸性增长，我们也考虑将 BLE 技术用于我们的解决方案。

优点： BLE 用于短距离无线通信（2.4 至 2.485 GHz）；与 Wi-Fi 相比，它的定位技术有几个优势。 BLE 信号具有更高的采样率（即 0.25 Hz 至 2 Hz），可提供更多数据来估计距离。 BLE 技术也更省电，因此更适合可穿戴设备。并且大多数智能设备都可以获取BLE信号，而Wi-Fi信号只能从AP获取。最后，BLE 信标能够由电池供电，因此比 Wi-Fi 接入点更灵活且更易于部署。

工作原理： 基于蓝牙的定位被认为是室内和室内相邻（室外露台、甲板等）环境中的实用方法。室内定位方案通过使用三角测量机制和来自其他蓝牙设备的数据收集 RSSI 测量值来检测用户的位置。

尽管基于 BLE 的室内定位可以比类似的 Wi-Fi 定位系统获得更好的性能，但 BLE 技术受到快速衰落和干扰的强烈影响，导致检测其他设备时的距离精度较低。准确性也受到 BLE 广告渠道、人为运动和人为障碍的强烈影响。提出的提高精度的方法已经取得了低至 2 米的效果。

总结 ：对于某些社交疏远应用，蓝牙技术没有为我们的社交疏远可穿戴设备提供距离测量的一致性和准确性。还探索了结合蓝牙和 Wi-Fi 技术，但这也没有达到所需的准确性。

蜂窝

当今广泛部署的蜂窝网络基础设施可用于帮助在室外环境中定位人员（或更准确地说，启用 SIM 或 E-SIM 的主动智能设备）。尽管在室内环境中可以使用蜂窝连接，但它目前无法为我们的用例提供准确、可靠或足够快的测量。社交距离在室内和室外环境中都很重要，因此我们对蜂窝定位的讨论继续集中在室外应用上。

在过去几年中，我们见证了蜂窝技术的巨大技术发展，其中一些使其成为位置定位应用的关键候选者。当前蜂窝网络支持辅助GPS（A-GPS）、增强型Cell ID（E-CID）和观测到达时间距离（OTDOA），蜂窝定位精度显着提高。

优点 ： 基于蜂窝的距离测量的最大优势之一是它不需要额外的硬件基础设施；它可以在现有网络上运行。此外，全球大多数人口至少拥有一台配备蜂窝网络的智能设备，因此部署只需要一个移动应用程序和网络中的一些数据处理能力。

工作原理： 在室外环境中，蜂窝定位技术使用上述算法，即 A-GPS、E-CID 和 OTDOA。在这里，E-CID 通过添加参考数据（例如 RSS 级别和用于三角测量和计算位置坐标的 RTT 信息）来提高 CID 的准确性。 E-CID 还能够使用到达角 (AoA) 信息来提高整体准确性。通过这些技术，当前基于 LTE 的蜂窝协议 (3/4G) 能够在室外环境中实现低至 5-10 米范围的距离测量精度。如果您丢失手机，则足够，但对于我们的用例来说不够准确。

全球许多电信公司都在积极部署新的 5G 蜂窝网络，而 5G 的性能特点使其成为下一代社交疏远平台的绝佳候选者。对我们用例的进一步测试将证实这一点，但鉴于 5G 部署的状态，我们的项目并未考虑它。

5G 包括毫米波通信、设备到设备 (D2D) 通信和超密集网络 (UDN) 等关键技术，这些技术有助于其实现高精度定位。利用毫米波通信的定位技术基于三角测量和到达角差 (ADOA) 的验证。模拟表明，triangulate-validate 和 ADOA 方法可以在室内 18 x 16 m 区域内以 85% 和 70% 的概率实现亚米级精度 [2]。实现卡尔曼滤波算法可以进一步提高定位精度。

下一代 5G 技术还将支持定向或线性阵列天线，这将有助于使基于蜂窝的定位技术也适用于室内应用。在这里，AoA和到达时间（ToA）的基本原理用于位置测量。

总结： 适用于完全部署蜂窝网络基础设施的室外环境，现有的 3/4G 蜂窝协议只能提供低至 10 米的距离精度，不适合我们的用例。虽然未来几代 5G 有望实现亚米级距离精度（新技术可能会降低），但此时部署覆盖范围不足以使 5G 解决方案成为满足我们需求的可行选择。而5G对室内定位的适用性还有待检验。

超宽带

与其蓝牙和 Wi-Fi 对应物不同，UWB 在 3.1 至 10.6 GHz 的 GHz 频率范围内运行。虽然 UWB 的部署不像其他协议那样广泛，但它具有一些独特的特性，使其成为我们的社交距离项目以及未来室内定位用例的绝佳候选者。

优点： UWB 可用于捕获高精度的空间和方向数据，并可在中短距离范围内保持厘米级的测量精度。 UWB 测量精度能够达到低至 5-10 厘米的距离精度，具体取决于用例。由于具有高时域分辨率、抗多径性、低成本实现、低功耗、良好穿透性和宽带宽 UWB 信号（FCC 规定至少 500 MHz）等独特特性，脉冲无线电 UWB 技术具有能够在时域中生成极短持续时间的高斯脉冲，与其他无线射频技术相比，这具有一些优势。其宽带宽还使其对其他通信技术中普遍存在的多径传播和窄带干扰具有相对更好的免疫力，因为这些类型的干扰仅影响部分频谱。

UWB 在固体材料中具有良好的穿透性，例如墙壁和其他结构，因此它可以在 NLOS 环境中表现得更加一致。我们的小尺寸设计的一个关键优势是，由于工作频率的增加，UWB 允许我们使用更小的天线，并且射频电路更简单，即使数据传输速率更高。

工作原理： 在 UWB 通信中，超短脉冲用于传输数据，这允许使用信号的持续时间或飞行时间 (TOF) 高精度估计双向距离。频谱密度越高，在多路径环境中的鲁棒性越强，因此测距（距离测量）能力越准确。

作为 UWB 评估的一部分，我们获得了瑞萨电子提供的 UWB 低速率脉冲 (LRP) 芯片组。 LRP 的主要优势是功耗比其他标准 UWB 解决方案低 10 倍，因此非常适合我们的电池供电可穿戴设备。例如，在发射模式下，UWB 高速率脉冲 (HRP) 的典型功耗范围为 100 – 120mA，而 UWB LRP 通常消耗 10-20mA。基于 LRP 标准的设备通常不用于距离测距应用，但最新标准 IEEE 802.15.4z 使它们能够在超低功耗模式下运行，同时使用我们在距离计算中使用的往返 TOF 机制实现安全测距功能。

在我们项目的第一阶段，我们通常在 20-30 厘米范围内测量 UWB LRP 的距离精度。对于清晰的 LOS 环境，接近 20 厘米；对于 NLOS 环境，接近 30 厘米。在下一个项目阶段，将进一步调整距离精度和可靠性，以实现更接近所需的 10 厘米。

与 BLE 和 Wi-Fi 相比，UWB 适用于从 Tx 到 Rx 的短突发脉冲无线电。结合其宽带宽，这将延迟降低到亚毫秒，因为不需要解码或调制。

总结： 根据对距离测量精度、可靠性、外形/尺寸、典型部署环境中的性能、延迟、低功耗、可扩展性和对干扰的敏感性降低等关键因素的评估，我们得出结论，UWB LRP – 在新的瑞萨电子芯片组 – 是我们社交距离项目中用于精确距离测量的最佳无线技术。

我们最终确定了结合使用 BLE 和 UWB 的社交距离平台（图 4）。这为我们提供了 UWB 高精度距离测量和一致性的优势，以及 BLE 在感应本地环境中的设备时始终开启接近检测的功效。在我们的应用中，BLE 还支持将历史警报数据和实际距离测量值推送到移动应用。

图 4：最终的 POC 平台结合使用 BLE 和 UWB LRP 以实现最佳功率利用。 （来源：亚创）

社交距离腕带的明确选择