精度が重要な場合：社会的距離のウェアラブルのための技術の評価

社会的距離はCOVID-19緩和の基礎です。ウイルスへの曝露と拡散のリスクを軽減する上で重要な役割を果たし続けています。世界の保健当局は6フィート（2メートル）が安全な距離であることを確立していますが、消費者の社会的な距離認識とアラートを支援するデバイスの設計は、そのコア機能が正確で低遅延の距離測定に依存しているため、困難であることが証明されています。

最近のコラボレーションでは、アルトランは半導体企業のルネサスと協力して、インテリジェントなウェアラブルデバイス/プラットフォームを開発し、超広帯域（UWB）テクノロジーに基づくソーシャルディスタンスリストバンドのプロトタイプを作成しました。リストバンドは、ユーザーが指定した「安全な」距離内で2番目のデバイスが検出されると、着用者に警告します。この記事では、そのプロジェクトのフェーズ1からの洞察を共有します。つまり、電力効率、サイズ、ユーザーエクスペリエンスなど、他の主要なプラットフォーム要件のバランスを保ちながら、正確な距離測定の要件を満たすためにワイヤレスプロトコルを評価するプロセスです。

要件のリストが多い小さなデバイス

このプロジェクトでの私たちの目標は、ルネサスICテクノロジーを活用したウェアラブルアプリケーションに適した組み込みの社会的距離プラットフォームを作成することでした。概念実証として、このプラットフォームに基づくリストバンドプロトタイプも、社会的距離のあるユースケースでの機能（監視とアラート）とユーザーエクスペリエンスを実証するために、少量で設計および製造されました（図1）。

図1.リストバンドのプロトタイプは、ユーザーが指定した安全距離内で2番目のデバイスが検出されたときに着用者に警告します。 （出典：アルトラン）

ウェアラブルフォームファクターは、1つ以上のワイヤレステクノロジーの必要性を示し、その選択はいくつかの基本的な要件に集中していました。

• 正確な距離測定–正確なアラートと誤ったアラートがないようにします。 私たちのユースケースでは、ワイヤレスプロトコルを選択するための最も重要な基準は、安全な距離と安全でない距離を区別できる精度のレベルで距離を測定する能力です。測定精度は、不正確な距離測定によって引き起こされる誤ったアラートの数を排除（または大幅に削減）するための鍵でもあります。安全でない距離と同等である場合もそうでない場合もあるアラートを受信すると、ユーザーが実際の脅威と誤った脅威を解読するのが困難になります。
• 物理的環境の影響。 ワイヤレスプロトコルは、一般的な使用シナリオの物理環境による影響を最小限に抑える必要があります。つまり、デバイスは、屋内または屋外、見通し内（LOS）または非LOS（NLOS）の状況、および多くの環境などの動的な環境で使用されているかどうかにかかわらず、正確で再現性のある測定を提供できる必要があります。オブジェクトの移動またはLOSの変更。
• 低レイテンシ。 効果を上げるには、脅威の検出からユーザーへの警告までの応答時間が十分に速く、ユーザーが予防措置や必要な予防措置を講じる時間が必要です。
• フォームファクター。 ウェアラブルデバイスでは、ワイヤレステクノロジーは軽量で小型でなければなりません。
• 電力効率。 ウェアラブルは電池式ですが、物体、人、信号などの検出には、通常、電力効率が不明なセンサーやコンポーネントが含まれます。私たちのユースケースでは、充電と充電の間に期待されるバッテリー寿命を実現するために、すべての動作モードで優れた電力効率を備えたワイヤレスソリューションを設計することが重要でした。
• スケーラビリティ。 社会的距離のユースケースは、定義上、複数の人が関与し、多くの場合群衆が関与するため、ワイヤレスソリューションは、複数の同時ターゲットに対して信頼性の高い正確な距離測定を提供できなければなりません。

一般に、各ワイヤレステクノロジーは、いくつかの組み合わせ信号キャプチャ（時間ベース、角位置、または受信信号方式を使用）と測位技術（三角測量または三辺測量方式を使用）を使用した距離と位置の測定をサポートします（図2）。

図2：一般的な距離/位置測定手法。 （出典：アルトラン）

ワイヤレステクノロジーの評価

いくつかの市販のワイヤレスプロトコルを評価して、社会的距離のウェアラブルの要件をどれだけ満たすことができるかを評価しました。私たちの候補には、Wi-Fi、セルラー、Bluetooth Low Energy（BLE）、および超広帯域（UWB）が含まれていました。一般に、それぞれの既知の距離/位置精度の仕様により、多くのプロトコルが排除されました（図3）が、ここで注目に値するメリットがあります。

図3.一般的なワイヤレステクノロジーの距離測定精度。 （出典：Altran、公開された参考文献[1]を使用）

Wi-Fi

Wi-Fiはどこにでもあるという理由だけで、最初に検討しました。屋内環境での幅広い展開により、特に空港、路地、駐車場などの複雑な構造物や、GPSやその他の衛星技術が利用できない、または精度が低い地下の場所で、建物内の社会的距離のユースケースに有望なソリューションとなりました。 。

長所： Wi-Fiの普及と、Wi-Fiネットワークのセットアップの利便性により、ソリューションは、非常に低コストと労力でユーザーのポジショニングのために迅速に展開できます。さらに、Wi-Fiベースの屋内測位システムの最近の進歩により、Wi-Fiは、一部の社会的距離アプリケーションに適した、信頼性が高く、より正確な位置情報サービス（古いWi-Fiテクノロジーよりも）を提供できます。

仕組み： Wi-Fiシステムでは、無線アクセスポイント（AP）と呼ばれる無線送信機が、カバレッジエリア内のユーザーデバイスと通信するための無線信号を送信する必要があります。屋内測位をサポートする最も一般的で最も簡単な方法は、ユーザーデバイスからの信号の受信信号強度インジケーター（RSSI）に基づいてユーザーの位置を計算することです。 RSSIの精度は10メートル以上の範囲で、約1〜3メートルに減少します。新しいWi-Fiラウンドトリップ時間（RTT）テクノロジーを利用する場合の75〜85％の時間。

概要： RTTなどのWi-Fiの現在の進歩により、ローカリゼーションシステムの精度が大幅に向上し、多くの屋内測位アプリケーションに採用されています。しかし、1メートルまでの距離の精度は、私たちの社会的距離のユースケースにはまだ不十分です。さらに、Wi-Fiは、信号が障害物の影や人によって散乱される可能性があるNLOS環境の影響により、動的で複雑な屋内環境では効果的でない場合があります。

Wi-Fiベースのテクノロジーは、ローカリゼーションに複数のAPを必要とするため、主に屋内および屋内に隣接する環境でも使用されます。これは、屋内と屋外の環境でシームレスな移行を提供できない場合や、屋外の環境では実行できない場合があります。 Wi-Fi APには、電力や要素からの保護などの追加のインフラストラクチャも必要であるため、展開がより複雑になります。

BLE

屋内環境と屋外環境の両方でBluetooth対応デバイスが爆発的に成長しているため、ソリューションのBLEテクノロジーも検討しました。

長所： BLEは、短距離無線通信（2.4〜2.485 GHz）に使用されます。また、そのローカリゼーションテクノロジーには、Wi-Fiと比較した場合にいくつかの利点があります。 BLE信号は、より高いサンプルレート（つまり、0.25Hzから2Hz）を持ち、距離を推定するためのより多くのデータを提供します。 BLEテクノロジーは電力効率も高いため、ウェアラブルデバイスに適しています。また、BLE信号はほとんどのスマートデバイスから取得できますが、Wi-Fi信号はAPからのみ取得できます。最後に、BLEビーコンはバッテリー駆動が可能なため、Wi-Fiアクセスポイントよりも柔軟性があり、展開が簡単です。

仕組み： Bluetoothベースのローカリゼーションは、屋内および屋内に隣接する（屋外のパティオ、デッキなど）環境での実用的なアプローチと見なされています。屋内ローカリゼーションスキームは、RSSI測定値を収集し、他のBluetoothデバイスからのデータで三角測量メカニズムを使用してユーザーの位置を検出します。

BLEベースの屋内ローカリゼーションは同様のWi-Fiローカリゼーションシステムよりも優れたパフォーマンスを実現できますが、BLEテクノロジーは高速フェージングと干渉の影響を強く受け、別のデバイスを検出する際の距離精度が低くなります。精度は、BLE広告チャネル、人間の動き、および人間の障害によっても強く影響されます。精度を向上させるために提案された方法は、2メートルまでの結果を達成しました。

概要 ：一部の社会的距離アプリケーションに有望であるBluetoothテクノロジーは、社会的距離ウェアラブルの距離測定の一貫性と精度を提供しませんでした。 BluetoothとWi-Fiテクノロジーの組み合わせも検討されましたが、これも必要な精度にはなりませんでした。

セルラー

今日広く展開されているセルラーネットワークインフラストラクチャは、屋外環境内で人（より正確には、アクティブなSIMまたはE-SIM対応のスマートデバイス）を見つけるのに役立ちます。セルラー接続は屋内環境で利用できますが、現時点では、私たちのユースケースに対して正確、信頼性、または十分な速度の測定値を生成していません。社会的距離は屋内と屋外の両方の設定に関連しているため、セルラーローカリゼーションの説明は引き続き屋外アプリケーションに焦点を当てています。

過去数年にわたって、セルラーテクノロジーの驚異的な技術的成長が見られ、その一部は、ロケーションポジショニングアプリケーションで使用するための重要な候補となっています。アシストGPS（A-GPS）、拡張セルID（E-CID）、観測された到着時間距離（OTDOA）をサポートする現在のセルラーネットワークにより、セルラーの位置精度が大幅に向上しました。

長所 ： セルラーベースの距離測定の最大の利点の1つは、追加のハードウェアインフラストラクチャを必要としないことです。既存のネットワークで動作できます。さらに、世界の人口のほとんどが少なくとも1つの携帯電話を備えたスマートデバイスを所有しているため、導入に必要なのはモバイルアプリとネットワーク内のデータ処理能力だけです。

仕組み： 屋外環境では、セルラーローカリゼーション技術は上記のアルゴリズム、つまりA-GPS、E-CID、OTDOAを使用します。ここで、E-CIDは、位置座標の三角測量と計算に使用されるRSSレベルやRTT情報などの参照データを追加することにより、CIDの精度を高めます。 E-CIDは、到着角度（AoA）情報を使用して、全体的な精度を向上させることもできます。これらの技術により、現在のLTEベースのセルラープロトコル（3 / 4G）は、5〜10メートルの範囲までの屋外設定での距離測定精度が可能です。スマートフォンを紛失した場合は十分ですが、私たちのユースケースには十分な精度ではありません。

世界中の多くの電話会社が新しい5Gセルラーネットワークを積極的に展開しており、5Gには、次世代の社会的距離プラットフォームの優れた候補となる可能性のあるパフォーマンス特性があります。私たちのユースケースのさらなるテストはこれを裏付けますが、5G展開の状態を考えると、それは私たちのプロジェクトでは考慮されませんでした。

5Gには、ミリ波通信、デバイス間（D2D）通信、超高密度ネットワーク（UDN）などの主要なテクノロジーが含まれており、高精度のローカリゼーションの能力に貢献しています。ミリ波通信を利用する測位技術は、三角測量の測定値と到来角（ADOA）の検証に基づいています。シミュレーションは、三角測量とADOAの方法が、屋内の18 x 16 mの領域でそれぞれ85％と70％の確率でサブメートルの精度を達成できることを示しています[2]。カルマンフィルターアルゴリズムを実装することで、ローカリゼーションの精度をさらに向上させることができます。

次世代の5Gテクノロジーは、指向性またはリニアアレイアンテナも可能にします。これにより、セルラーベースのポジショニング技術が屋内アプリケーションでも実行可能になります。ここでは、AoAの基本原理と到着時間（ToA）が位置測定に使用されます。

概要： セルネットワークインフラストラクチャが完全に展開されている屋外環境に適しており、既存の3 / 4Gセルラープロトコルは10メートルの距離精度しか提供できず、私たちのユースケースには適していません。将来の世代の5Gは、サブメートルの距離精度を達成するために順調に進んでいますが（新しい技術ではおそらく低くなります）、現時点では、5Gソリューションを私たちのニーズに適した選択肢にするための展開範囲は十分ではありません。また、5Gの屋内測位への適合性はまだテストされていません。

UWB

BluetoothやWi-Fiとは異なり、UWBは3.1〜10.6GHzの幅広いGHz周波数で動作します。 UWBは他のプロトコルほど広く展開されていませんが、いくつかの独自の特性を備えているため、社会距離拡大プロジェクトや将来の屋内測位のユースケースに最適です。

長所： UWBは、非常に正確な空間および指向性データをキャプチャするために使用でき、短距離から中距離の範囲でセンチメートルレベルの測定精度を維持できます。 UWBの測定精度は、ユースケースに応じて5〜10cmまでの距離精度が可能です。高い時間領域分解能、マルチパスの耐性、低コストの実装、低消費電力、良好な透過性、広帯域幅のUWB信号（FCCで指定されている少なくとも500 MHz）などの独自の特性により、インパルス無線UWBテクノロジーは時間領域で非常に短時間のガウスパルスを生成する機能。これにより、他のワイヤレスRFテクノロジーと比較した場合にいくつかの利点が得られます。また、帯域幅が広いため、他の通信技術で一般的なマルチパス伝搬や狭帯域干渉に対する耐性が比較的高くなります。これらのタイプの干渉は、スペクトルの一部にしか影響しないためです。

UWBは、壁やその他の構造物などの固体材料への浸透性が高いため、NLOS環境でより一貫して動作できます。また、スモールフォームファクター設計の主な利点は、UWBにより、動作周波数が高くなり、データ転送速度が高くてもRF回路がシンプルになったため、より小さなアンテナを使用できるようになりました。

仕組み： UWB通信では、超短パルスを使用してデータを通信します。これにより、信号の飛行時間または飛行時間（TOF）を使用して双方向距離を高精度に推定できます。スペクトル密度が高いほど、マルチパス環境での堅牢性が高まり、より正確な測距（距離測定）機能が提供されます。

UWB評価の一環として、ルネサスからUWB低速パルス（LRP）チップセットが提供されました。 LRPの主な利点は、他の標準的なUWBソリューションの10分の1の消費電力であるため、バッテリー駆動のウェアラブルに最適でした。たとえば、送信モードでは、UWB高速パルス（HRP）の一般的な消費電力は100〜120mAの範囲であり、UWB LRPは通常10〜20mAを消費します。 LRP標準ベースのデバイスは通常、距離レンジングアプリケーションには使用されませんが、最新の標準IEEE 802.15.4zにより、距離計算で使用したラウンドトリップTOFメカニズムを使用して安全なレンジング機能を実現しながら、超低消費電力モードで動作できます。

プロジェクトのこの最初のフェーズでは、通常、UWB LRPの距離精度を20〜30cm以内で測定しました。明確なLOS環境の場合、20cmに近い。 NLOS環境の場合、30cmに近い。次のプロジェクトフェーズでは、距離の精度と信頼性の両方をさらに調整して、必要な10cmに近づけます。

BLEやWi-Fiと比較すると、UWBはTxからRxまでのショートバーストインパルス無線で動作します。広い帯域幅と組み合わせることで、デコードや変調が不要になるため、レイテンシがサブミリ秒まで短縮されます。

概要： 距離測定の精度、信頼性、フォームファクター/サイズ、一般的な展開環境でのパフォーマンス、遅延、低消費電力、スケーラビリティ、干渉に対する感度の低下などの重要な要素の評価に基づいて、UWB LRP –新しいルネサスのチップセット–ソーシャルディスタンスプロジェクトの正確な距離測定に最適なワイヤレステクノロジーでした。

BLEとUWBの両方を組み合わせて利用する社会的距離プラットフォームを完成させました（図4）。これにより、UWBの高精度な距離測定と一貫性の利点に加えて、ローカル環境内のデバイスを検知する際の常時オンの近接検出のためのBLEの電力効率が得られました。このアプリケーションでは、BLEは過去のアラートデータと実際の距離測定値をモバイルアプリにプッシュすることもサポートしています。

図4：最終的なPOCプラットフォームは、BLEとUWB LRPの組み合わせを使用して、最適な電力使用率を実現します。 （出典：アルトラン）

社会的な距離を置くリストバンドの明確な選択