Dokładniejsze rozwiązania bezprzewodowego pomiaru odległości

Dlaczego śledzenie kontaktów przy użyciu technologii Bluetooth dało rozczarowujące wyniki

Zasadniczo technologia Bluetooth wydaje się być idealnym rozwiązaniem dla automatycznego śledzenia kontaktów. Jest wszechobecna, dzięki czemu jest szeroko dostępną platformą dla rozwiązań technologicznych, a jej możliwości wydają się spełniać podstawowe wymagania stawiane aplikacjom mobilnym przeznaczonym do rejestrowania przypadków zbliżania się do innych osób korzystających z tej samej technologii.

Rejestrowanie wystąpień kontaktu wymaga podania co najmniej dwóch informacji: odległości od kontaktu oraz unikalnego w skali globalnej identyfikatora związanego z danym kontaktem. Zazwyczaj unikalny identyfikator wprowadza się w postaci często zmieniającej się wartości losowej i jest on wykorzystywany przez oprogramowanie aplikacji wysokiego poziomu do powiadamiania o kontakcie przy jednoczesnym zachowaniu prywatności, przy użyciu różnych metod wykraczających poza zakres tego artykułu.

Protokół rozgłaszania Bluetooth oferują gotowe mechanizmy spełniające te podstawowe wymagania. Jako podstawowa funkcja stosów protokołu Bluetooth, kanały rozgłaszania pozwalają urządzeniu na okresowe przesyłanie niewielkich ilości danych, takich jak unikalny identyfikator, przy minimalnym zużyciu energii. Urządzenie odbierające pakiet danych protokołu rozgłaszania otrzymuje również wartość wskaźnika siły odbieranego sygnału radiowego (RSSI), który większość bezprzewodowych podsystemów radiowych przyjmuje jako względną miarę siły sygnału w zakresie od 0 do 100 lub do innej górnej granicy określonej przez producenta urządzenia.

Teoretycznie, w miarę zwiększania się odległości między nadajnikiem a urządzeniem odbiorczym, siła sygnału radiowego w odbiorniku zmniejsza się proporcjonalnie do kwadratu odległości. W takim wypadku związana z tym wartość RSSI zmniejsza się płynnie, w monotoniczny sposób.

W praktyce, związek pomiędzy RSSI i odległością może być bardzo różny, jak zauważono już lata temu [Gao]2 w Bluetooth Special Interest Group (SIG), organizacji nadzorującej rozwój technologii Bluetooth. Odbicia, zablokowanie i zakłócenia sygnału mogą znacząco zmienić jego siłę. W rezultacie, zależność pomiędzy RSSI i odległością może się różnić między próbkami - nawet jeśli nadajnik i odbiornik pozostają nieruchome. W niedawnym badaniu skuteczności siły sygnału RSSI Bluetooth w śledzeniu kontaktów, naukowcy odkryli, że wartość RSSI może wzrastać lub spadać bez zmiany fizycznej odległości pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, w zależności od sposobu, w jaki użytkownik trzyma smartfon, w jaki sposób ma ustawione ciało względem urządzenia lub w jaki sposób struktury otaczające odbijają, blokują lub pochłaniają sygnały radiowe [Leith]3.

Deweloperzy zastosowali różne strategie w celu wyrównania zmienności RSSI. Oprócz prostego uśredniania wielu pomiarów RSSI, próby poprawy dokładności pomiarów odległości za pomocą RSSI wykorzystywały różne metody filtrowania, ale z różnymi skutkami. W ramach innych propozycji śledzenia kontaktów sugerowano wykorzystanie innych technologii radiowych, takich jak UWB, ale w przeciwieństwie do technologii Bluetooth, brakuje im wszechobecnej zainstalowanej bazy urządzeń, która umożliwiłaby natychmiastowe powszechne wykorzystanie aplikacji do automatycznego śledzenia kontaktów, co pomogłyby w zarządzaniu ogniskami COVID-19.

Z kolei firma Dialog Semiconductor zaproponowała rozwiązanie programowe zaprojektowane w celu łatwego uaktualnienia rozwiązań sprzętowych Bluetooth, aby umożliwić im dokładny bezprzewodowy pomiar odległości wymagany w skutecznym śledzeniu kontaktów.

Uaktualnienie układów SoC Bluetooth w celu dokładniejszego śledzenia kontaktów

Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa) firmy Dialog Semiconductor współpracuje z urządzeniami BLE SoC serii DA1469x w celu dokładniejszego pomiaru odległości za pomocą istniejącej technologii Bluetooth. Układy SoC BLE firmy Dialog Semiconductor zostały zaprojektowane tak, by spełniać wymagania szerokiej gamy produktów mobilnych i łączą w sobie procesor Arm® Cortex®-M33 oraz pełny podsystem radiowy Bluetooth 5 z własnym, zintegrowanym sterownikiem opartym na Arm Cortex-M0+ i kompletnym zestawem zintegrowanych peryferiów (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Układy SoC BLE z grupy DA1469x firmy Dialog Semiconductor łączą w sobie główny procesor Arm Cortex-M33, dedykowany system radiowy Bluetooth 5 z własnym procesorem Arm Cortex-M0+ oraz obszerny zestaw peryferiów potrzebnych w typowych bezprzewodowych produktach mobilnych. (Źródło ilustracji: Dialog Semiconductor)

Jak każda platforma współpracująca z technologią Bluetooth, grupa układów DA1469x firmy Dialog Semiconductor obsługuje standardowe tryby rozgłaszania, wykorzystujące technologie sygnalizatorów, które służą do wysyłania wiadomości dotyczących konkretnej lokalizacji w punktach sprzedaży detalicznej. Jednakże korzystając z zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa), deweloperzy mogą wdrożyć protokół podobny do radaru, który jest w stanie osiągnąć poziom dokładności niedostępny w przypadku samej konwencjonalnej technologii siły sygnału RSSI Bluetooth. Co najważniejsze, ta dodatkowa funkcja może zostać wdrożona na istniejących urządzeniach opartych na układach DA1469x.

W ramach tak ulepszonego podejścia do bezprzewodowego pomiaru odległości, urządzenia Bluetooth uruchamiają protokół DTE (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa) firmy Dialog Semiconductor implementuje bezprzewodowy pomiar odległości w sposób podobny do działania radaru, wdrażając wymianę danych DTE pomiędzy dwoma połączonymi urządzeniami, z których jedno służy jako urządzenie o standardowej roli centralnej Bluetooth, a drugie o standardowej roli peryferyjnej Bluetooth. (Źródło ilustracji: Dialog Semiconductor)

W tym protokole urządzenia Bluetooth łączą się w pary przy użyciu konwencjonalnych ról BLE - centralnej i peryferyjnej. Urządzenie centralne wysyła żądanie uruchomienia DTE, powodując synchronizację obu urządzeń, a następnie w okresie bezczynności BLE nadaje ton DTE przez określony czas i przy zdefiniowanym wcześniej zestawie częstotliwości. Z kolei podsystem radiowy każdego z urządzeń wykonuje próbkowanie w wysokiej rozdzielczości odbieranej serii tonów i zapewnia na wyjściu sygnał znajdujący się w fazie i w kwadraturze (IQ). Używając próbek IQ, każde urządzenie oblicza fazę dla każdej częstotliwości serii („atom”), tworząc profil częstotliwości specyficzny dla danego urządzenia.