정확도가 중요한 경우:사회적 거리두기 웨어러블 기술 평가

이 프로젝트에서 우리의 목표는 Renesas IC 기술을 활용한 웨어러블 애플리케이션에 적합한 내장형 사회적 거리두기 플랫폼을 만드는 것이었습니다. 개념 증명으로 이 플랫폼을 기반으로 하는 손목 밴드 프로토타입도 사회적 거리두기 사용 사례에서 기능(모니터링 및 경고)과 사용자 경험을 보여주기 위해 소량으로 설계 및 제조되었습니다(그림 1).

그림 1. 사용자가 지정한 안전 거리 내에서 두 번째 장치가 감지되면 손목 밴드 프로토타입이 착용자에게 경고합니다. (출처:Altran)

웨어러블 폼 팩터는 몇 가지 기본 요구 사항을 중심으로 선택되는 하나 이상의 무선 기술에 대한 필요성을 결정했습니다.

• 정확한 거리 측정 – 정확한 알림 및 잘못된 알림 없음 지금까지 우리의 사용 사례에서 무선 프로토콜을 선택하는 가장 중요한 기준은 안전한 거리와 안전하지 않은 거리를 구별할 수 있는 정확도 수준으로 거리를 측정하는 능력입니다. 측정 정확도는 또한 부정확한 거리 측정으로 인해 발생하는 잘못된 경고의 수를 제거(또는 심각하게 줄이는)하는 데 중요합니다. 안전하지 않은 거리두기와 동일하거나 동일하지 않을 수 있는 경고를 수신하면 사용자가 실제 위협과 거짓 위협을 구분하기가 어렵습니다.
• 물리적 환경의 영향. 무선 프로토콜은 일반적인 사용 시나리오의 물리적 환경의 영향을 최소화해야 합니다. 다시 말해, 이 장치는 실내 또는 실외, 가시선(LOS) 또는 비LOS(NLOS) 상황, 그리고 많은 사람이 사용하는 것과 같은 동적 환경에서 정확하고 반복 가능한 측정을 제공할 수 있어야 합니다. 물체를 움직이거나 LOS를 변경합니다.
• 낮은 지연 시간 효과적이려면 위협 감지와 사용자 경고 사이의 응답 시간이 사용자가 예방 조치 및/또는 필요한 예방 조치를 취할 시간을 가질 만큼 충분히 빨라야 합니다.
• 폼 팩터. 웨어러블 기기에서 무선 기술은 가볍고 작아야 합니다.
• 전력 효율성. 웨어러블은 배터리로 작동되지만 물체, 사람, 신호 등의 감지에는 일반적으로 전력 효율성이 알려지지 않은 센서, 구성 요소가 포함됩니다. 우리의 사용 사례에서는 충전 사이에 예상 배터리 수명을 제공하기 위해 모든 작동 모드에서 탁월한 전력 효율성을 갖춘 무선 솔루션을 설계하는 것이 중요했습니다.
• 확장성. 정의상 사회적 거리두기 사용 사례는 여러 사람과 종종 군중을 포함하므로 무선 솔루션은 여러 동시 대상에 대해 안정적이고 정확한 거리 측정을 제공할 수 있어야 합니다.

일반적으로 각 무선 기술은 일부 조합 신호 캡처(시간 기반, 각도 위치 또는 수신 신호 방법 사용) 및 위치 지정 기술(삼각 측량 또는 삼각 측량 방법 사용)을 사용하여 거리 및 위치 측정을 지원합니다(그림 2).

그림 2:일반적인 거리/위치 측정 기술. (출처:Altran)

무선 기술 평가

우리는 사회적 거리두기 웨어러블에 대한 요구 사항을 얼마나 잘 충족할 수 있는지 평가하기 위해 상업적으로 이용 가능한 여러 무선 프로토콜을 평가했습니다. 우리의 후보에는 Wi-Fi, 셀룰러, BLE(Bluetooth Low Energy) 및 UWB(초광대역)가 포함되었습니다. 일반적으로 각 프로토콜의 알려진 거리/위치 정확도 사양은 많은 프로토콜을 제거했지만(그림 3) 여기서 주목할 가치가 있습니다.

그림 3. 일반적인 무선 기술의 거리 측정 정확도. (출처:Altran, 게시된 참조 [1] 사용)

Wi-Fi

우리는 Wi-Fi가 어디에나 있기 때문에 먼저 Wi-Fi를 살펴보았습니다. 실내 환경에 광범위하게 배포되어 특히 공항, 골목, 주차장과 같은 복잡한 구조 또는 GPS 및 기타 위성 기술을 사용할 수 없거나 정확도가 낮은 지하 위치와 같은 건물 내부의 사회적 거리두기 사용 사례에 대한 유망한 솔루션입니다. .

장점: Wi-Fi의 광범위한 채택과 Wi-Fi 네트워크 설정의 편의성으로 인해 매우 저렴한 비용과 노력으로 사용자 포지셔닝을 위한 솔루션을 신속하게 배포할 수 있었습니다. 또한 최근 Wi-Fi 기반 실내 측위가 발전함에 따라 Wi-Fi는 일부 사회적 거리두기 애플리케이션에 적합한 안정적이고 정확한 위치 서비스를 제공할 수 있습니다(이전 Wi-Fi 기술보다).

작동 방식: Wi-Fi 시스템에서 무선 액세스 포인트(AP)로 알려진 무선 송신기는 커버리지 영역에 있는 사용자 장치와 통신하기 위해 무선 신호를 전송해야 합니다. 실내 측위를 지원하는 가장 일반적이고 쉬운 방법은 사용자 장치에서 보내는 신호의 RSSI(수신 신호 강도 표시기)를 기반으로 사용자의 위치를 ​​계산하는 것입니다. RSSI 정확도는 10+ 미터 범위에 있으며 약 1-3 미터로 줄어듭니다. 최신 Wi-Fi RTT(왕복 시간) 기술을 사용할 때의 75-85%

요약: RTT와 같은 현재 Wi-Fi의 발전으로 위치 파악 시스템의 정확도가 크게 향상되어 많은 실내 위치 지정 응용 프로그램에 채택되었습니다. 그러나 1미터 이하의 거리 정확도는 사회적 거리두기 사용 사례에 여전히 충분하지 않습니다. 또한, Wi-Fi는 장애물 그림자나 사람에 의해 신호가 산란될 수 있는 NLOS 환경의 영향으로 역동적이고 복잡한 실내 환경에서 효과적이지 않을 수 있습니다.

Wi-Fi 기반 기술은 또한 실내외 환경에서 원활한 전환을 제공하지 못하거나 실외 환경에서 실현 가능하지 않을 수 있는 로컬라이제이션을 위해 여러 AP가 필요하기 때문에 실내 및 실내 인접 환경에서 주로 사용됩니다. 또한 Wi-Fi AP에는 전원 및 요소로부터의 보호와 같은 추가 인프라가 필요하므로 배포가 더 복잡해집니다.

BLE

실내 및 실외 환경 모두에서 Bluetooth 지원 장치의 폭발적인 성장과 함께 우리는 또한 BLE 기술을 솔루션으로 고려했습니다.

장점: BLE는 근거리 무선 통신(2.4 ~ 2.485GHz)에 사용됩니다. 로컬라이제이션 기술은 Wi-Fi와 비교할 때 몇 가지 장점이 있습니다. BLE 신호는 더 높은 샘플 속도(즉, 0.25Hz ~ 2Hz)를 가지므로 거리를 추정할 더 많은 데이터를 제공합니다. BLE 기술은 또한 전력 효율이 높기 때문에 웨어러블 장치에 더 적합합니다. 그리고 BLE 신호는 대부분의 스마트 기기에서 얻을 수 있지만 Wi-Fi 신호는 AP에서만 얻을 수 있습니다. 마지막으로 BLE 비콘은 배터리로 작동할 수 있으므로 Wi-Fi 액세스 포인트보다 유연하고 배포하기 쉽습니다.

작동 방식: 블루투스 기반 로컬라이제이션은 실내 및 실내 인접(야외 파티오, 데크 등) 환경에서 실용적인 접근 방식으로 간주됩니다. 실내 측위 체계는 RSSI 측정값을 수집하여 다른 Bluetooth 장치의 데이터와 삼각 측량 메커니즘을 사용하여 사용자의 위치를 ​​감지합니다.

BLE 기반 실내 측위는 유사한 Wi-Fi 측위 시스템보다 더 나은 성능을 달성할 수 있지만 BLE 기술은 다른 장치를 감지할 때 낮은 거리 정확도로 이어지는 빠른 페이딩 및 간섭의 영향을 크게 받습니다. 정확도는 BLE 광고 채널, 사람의 움직임 및 사람의 장애물에 의해 크게 영향을 받습니다. 정확도를 개선하기 위해 제안된 방법은 2미터까지 결과를 달성했습니다.

요약 :일부 사회적 거리두기 애플리케이션에 대해 약속한 Bluetooth 기술은 우리의 사회적 거리두기 웨어러블에 대한 거리 측정의 일관성과 정확성을 제공하지 못했습니다. Bluetooth와 Wi-Fi 기술을 결합하는 방법도 모색했지만 이 역시 필요한 정확도를 얻지 못했습니다.

휴대폰

오늘날 널리 배포되고 있는 셀룰러 네트워크 인프라는 실외 환경 내에서 사람(더 정확하게는 활성 SIM 또는 E-SIM 지원 스마트 장치)을 찾는 데 사용할 수 있습니다. 셀룰러 연결은 실내 환경에서 사용할 수 있지만 현재 사용 사례에 대해 정확하거나 안정적이거나 빠른 측정을 생성하지 못합니다. 사회적 거리두기는 실내 및 실외 환경 모두에서 관련이 있으므로 셀룰러 현지화에 대한 논의는 실외 애플리케이션에 계속 초점을 맞춥니다.

지난 몇 년 동안 우리는 셀룰러 기술의 엄청난 기술적 성장을 보아왔고, 그 중 일부는 위치 포지셔닝 애플리케이션에 사용하기 위한 핵심 후보가 되었습니다. 보조 GPS(A-GPS), 향상된 셀 ID(E-CID) 및 관측된 도착 시간 거리(OTDOA)를 지원하는 현재 셀룰러 네트워크를 통해 셀룰러의 위치 정확도가 크게 향상되었습니다.

장점 : 셀룰러 기반 거리 측정의 가장 큰 장점 중 하나는 추가 하드웨어 인프라가 필요하지 않다는 것입니다. 기존 네트워크에서 작동할 수 있습니다. 또한 전 세계 인구의 대부분은 휴대전화가 장착된 스마트 장치를 하나 이상 소유하고 있으므로 배포에는 모바일 앱과 네트워크의 일부 데이터 처리 용량만 필요합니다.

작동 방식: 실외 환경에서 셀룰러 측위 기술은 위에서 언급한 A-GPS, E-CID 및 OTDOA 알고리즘을 사용합니다. 여기서 E-CID는 위치 좌표를 삼각 측량하고 계산하는 데 사용되는 RSS 레벨 및 RTT 정보와 같은 참조 데이터를 추가하여 CID 정확도를 높입니다. E-CID는 또한 AoA(도달 각도) 정보를 사용하여 전체 정확도를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 기술을 통해 현재 LTE 기반 셀룰러 프로토콜(3/4G)은 실외 설정에서 5-10미터 범위까지 거리 측정 정확도가 가능합니다. 휴대전화를 분실한 경우에 적합하지만 사용 사례에는 정확하지 않습니다.

전 세계의 많은 통신 회사는 새로운 5G 셀룰러 네트워크를 적극적으로 배포하고 있으며 5G는 차세대 사회적 거리두기 플랫폼의 탁월한 후보가 될 수 있는 성능 특성을 가지고 있습니다. 사용 사례에 대한 추가 테스트를 통해 이를 확인할 수 있지만 5G 배포 상태를 고려할 때 우리 프로젝트에서는 고려되지 않았습니다.

5G에는 밀리미터파(mmWave) 통신, D2D(Device-to-Device) 통신, UDN(초고밀도 네트워크)과 같은 핵심 기술이 포함되어 있어 고정밀 측위 능력에 기여합니다. mmWave 통신을 활용하는 포지셔닝 기술은 삼각 측량 측정 및 ADOA(도래 각도 차이)의 검증을 기반으로 합니다. 시뮬레이션은 삼각측량 검증 및 ADOA 방법이 실내 18 x 16m 영역에서 각각 85% 및 70%의 확률로 서브미터 정확도를 달성할 수 있음을 보여줍니다[2]. 칼만 필터링 알고리즘을 구현하여 현지화 정확도를 더욱 향상시킬 수 있습니다.

차세대 5G 기술은 또한 지향성 또는 선형 어레이 안테나를 가능하게 하여 셀룰러 기반 포지셔닝 기술을 실내 애플리케이션에서도 실행 가능하게 만드는 데 도움이 될 것입니다. 여기서 AoA의 기본 원리와 ToA(Time of Arrival)가 위치 측정에 사용됩니다.

요약: 셀 네트워크 인프라가 완전히 배포된 실외 환경에 적합하며 기존 3/4G 셀룰러 프로토콜은 10미터 거리의 정확도만 제공할 수 있어 사용 사례에 적합하지 않습니다. 미래 세대의 5G가 서브미터 거리 정확도를 달성하는 궤도에 있지만(새로운 기술을 사용하면 더 낮아질 수 있음) 현재로서는 5G 솔루션을 우리의 요구에 맞는 실행 가능한 선택으로 만들기에 배포 범위가 충분하지 않습니다. 그리고 실내 측위를 위한 5G의 적합성은 아직 테스트되지 않았습니다.

UWB

Bluetooth 및 Wi-Fi 대응 제품과 달리 UWB는 3.1~10.6GHz의 광범위한 GHz 주파수에서 작동합니다. UWB는 다른 프로토콜만큼 널리 배포되지는 않았지만 몇 가지 고유한 속성이 있어 사회적 거리두기 프로젝트와 미래의 실내 위치 확인 사용 사례에 매우 적합합니다.

장점: UWB는 매우 정확한 공간 및 방향 데이터를 캡처하는 데 사용할 수 있으며 단거리에서 중거리 범위에서 센티미터 수준의 측정 정확도를 유지할 수 있습니다. UWB 측정 정확도는 사용 사례에 따라 5-10cm까지 거리 정확도가 가능합니다. 임펄스 무선 UWB 기술은 높은 시간 영역 해상도, 다중 경로 내성, 저비용 구현, 낮은 전력 소비, 우수한 침투 및 광대역 UWB 신호(FCC에서 지정한 최소 500MHz)와 같은 고유한 특성으로 인해 시간 영역에서 매우 짧은 기간의 가우스 펄스를 생성할 수 있는 기능으로 다른 무선 RF 기술과 비교할 때 몇 가지 이점이 있습니다. 또한 대역폭이 넓기 때문에 이러한 유형의 간섭은 스펙트럼의 일부에만 영향을 미치기 때문에 다른 통신 기술에서 널리 퍼져 있는 다중 경로 전파 및 협대역 간섭에 대한 내성이 비교적 우수합니다.

UWB는 벽 및 기타 구조물과 같은 고체 물질에 대한 침투성이 우수하여 NLOS 환경에서 보다 일관되게 수행할 수 있습니다. 그리고 우리의 소형 폼 팩터 설계의 주요 이점인 UWB를 통해 작동 주파수 증가로 인해 더 작은 안테나를 사용할 수 있었고 데이터 전송 속도는 더 높지만 RF 회로가 더 간단해졌습니다.

작동 방식: UWB 통신에서 초단파 펄스는 데이터 통신에 사용되며, 이를 통해 신호에 대한 비행 시간(TOF) 또는 지속 시간을 사용하여 양방향 거리를 고정밀도로 추정할 수 있습니다. 스펙트럼 밀도가 높을수록 다중 경로 환경에서 더 강력해지기 때문에 더 정확한 범위 지정(거리 측정) 기능이 제공됩니다.

UWB 평가의 일환으로 Renesas의 UWB LRP(저속 펄스) 칩셋이 제공되었습니다. LRP의 주요 장점은 다른 표준 UWB 솔루션보다 전력 소비가 10배까지 낮기 때문에 배터리로 작동되는 웨어러블에 이상적입니다. 예를 들어 전송 모드에서 UWB HRP(고속 펄스)의 일반적인 전력 소비 범위는 100~120mA이며 UWB LRP는 일반적으로 10~20mA를 소비합니다. LRP 표준 기반 장치는 일반적으로 거리 측정 응용 프로그램에 사용되지 않지만 최신 표준 IEEE 802.15.4z를 사용하면 거리 계산에 사용한 왕복 TOF 메커니즘을 사용하여 안전한 측정 기능을 활성화하면서 초저전력 소비 모드에서 작동할 수 있습니다.

이 프로젝트의 첫 번째 단계에서 우리는 일반적으로 UWB LRP의 거리 정확도를 20-30cm 이내로 측정했습니다. 명확한 LOS 환경의 경우 20cm에 가깝습니다. NLOS 환경의 경우 30cm에 가깝습니다. 다음 프로젝트 단계에서는 거리 정확도와 신뢰성이 모두 필요한 10cm에 더 가까워지도록 조정될 것입니다.

BLE 및 Wi-Fi와 비교할 때 UWB는 Tx에서 Rx로 짧은 버스트 임펄스 라디오에서 작동합니다. 넓은 대역폭과 결합하여 디코딩이나 변조가 필요하지 않으므로 지연 시간이 ms 미만으로 줄어듭니다.

요약: 거리 측정 정확도, 안정성, 폼 팩터/크기, 일반적인 배포 환경에서의 성능, 지연 시간, 낮은 전력 소비, 확장성 및 간섭에 대한 민감도 감소와 같은 주요 요소에 대한 평가를 바탕으로 UWB LRP가 새로운 Renesas의 칩셋 – 우리의 사회적 거리두기 프로젝트에서 정확한 거리 측정을 위한 최고의 무선 기술이었습니다.

BLE와 UWB를 함께 활용하는 사회적 거리두기 플랫폼을 완성했습니다(그림 4). 이를 통해 UWB의 고정밀 거리 측정 및 일관성의 이점과 로컬 환경 내에서 장치를 감지할 때 항상 켜져 있는 근접 감지를 위한 BLE의 전력 효율성을 얻을 수 있었습니다. 우리 애플리케이션에서 BLE는 과거 경고 데이터와 실제 거리 측정값을 모바일 앱으로 푸시하는 것도 지원합니다.

그림 4:최종 POC 플랫폼은 최적의 전력 활용을 위해 BLE와 UWB LRP의 조합을 사용합니다. (출처:Altran)

사회적 거리두기 팔찌를 위한 확실한 선택