Technologie bezprzewodowe a kontrola dystansu społecznego
| Gospodarka PomiaryPandemia wygenerowała olbrzymie zapotrzebowanie na aplikacje i urządzenia zdolne do kontroli przestrzegania zasad dystansu społecznego. Na rynku pojawiło się wiele tego typu rozwiązań, zarówno w postaci aplikacji mobilnych, jak i urządzeń noszonych. Sercem każdego z tych systemów jest metoda pomiaru odległości pomiędzy użytkownikami, reprezentowanymi najczęściej przez posiadane przez nich urządzenia. Znakomita większość przyjętych algorytmów opiera się na wykorzystaniu wybranego protokołu komunikacji bezprzewodowej. W tekście przedstawiony zostanie przegląd wad i zalet najpopularniejszych z nich.
Zalecenia publikowane przez Światową Organizację Zdrowia nakazują utrzymywanie dystansu społecznego w odległości nie mniejszej niż 2 metry, co ma pozwolić na ograniczanie rozprzestrzenienia się wirusa w populacji. Podstawowym zadaniem systemu monitorującego przestrzeganie tych wytycznych powinna być zatem zdolność do dość dokładnego pomiaru odległości w tym zakresie wartości, czyli od około jednego do kilku, kilkunastu metrów.
Przykładem urządzenia realizującego te zamierzenia może być opaska typu smartband, wykorzystująca technologię Ultra-Wideband (UWB). Bardziej powszechnym rozwiązaniem jest po prostu aplikacja mobilna przeznaczona do instalacji na smartfony, wykorzystująca do pomiaru odległości jeden lub kilka z dostępnych w urządzeniu sensorów. Większość tego typu systemów ostrzega użytkownika o obecności w promieniu dwóch metrów innego układu, co uznawane jest za jednoznaczne z obecnością innej osoby i związane z tym naruszenie zasady dystansu społecznego.
W tego typu projektach jednym z bardziej interesujących zagadnień jest wybór odpowiedniej metody pomiaru odległości. W tekście umieszczono przegląd popularnych protokołów komunikacji bezprzewodowej oraz ocenę ich przydatności w tego typu zastosowaniach. Podczas dokonywania tego typu analizy należy wziąć pod uwagę przynajmniej kilka podstawowych czynników, uwzględniających typowe ograniczenia i uwarunkowania systemów mobilnych - energooszczędność, rozmiar, czas opóźnień oraz oczywiście zapewnianą dokładność pomiaru.
Kontrola dystansu - podstawowe wymagania i uwarunkowania
Dokładność pomiaru odległości jest kluczowym aspektem wymaganym dla tego typu systemów i aplikacji. Pozwala to na prawidłową detekcję faktycznie zaistniałych incydentów naruszenia dystansu społecznego oraz eliminację fałszywych alarmów. Do poprawnej pracy systemu konieczne jest w zasadzie nie tyle uzyskanie dokładnego wyniku pomiaru odległości bezwzględnej pomiędzy dwoma urządzeniami, co odpowiedź na pytanie, czy dystans ten wynosi więcej niż 2 m. Pośrednio jest to oczywiście związane z bezwzględną dokładnością pomiaru. Wykorzystana technologia nie musi przy tym zapewniać możliwości pomiaru na dużych odległościach, przekraczających wartości kilku metrów.
Odporność na wpływ otoczenia. Wykorzystywany protokół bezprzewodowy powinien być w jak najmniejszym stopniu wrażliwy na zakłócenia generowane przez wpływ otoczenia, ze szczególnym uwzględnieniem typowych przypadków użycia systemu. Rozwiązanie takie musi być zdolne zarówno do pracy wewnątrz pomieszczeń, jak i w otwartej przestrzeni, a także w sytuacji dynamicznych zmian położenia urządzeń. Pożądany jest brak konieczności rozbudowy zewnętrznej infrastruktury, takiej jak dedykowane urządzenia sieciowe.
Małe opóźnienia. Czas pomiędzy wystąpieniem zdarzenia a jego detekcją oraz poinformowaniem użytkownika powinien być możliwie krótki, aby móc pozwolić na reakcję oraz podjęcie działań zapobiegawczych i wymaganych form ostrożności.
Rozmiar. W przypadku urządzeń mobilnych i noszonych bardzo ważny jest niewielki rozmiar oraz atrakcyjny wygląd urządzenia. Aby ułatwić uzyskanie tego typu cech, istotna jest redukcja wielkości komponentów wchodzących w skład systemu, w tym również układu nadawczo-odbiorczego oraz toru przetwarzania sygnałów.
Wydajność energetyczna. Urządzenia noszone oraz mobilne z reguły zasilane są bateryjnie, ich konstruktorzy przykładają zatem dużą wagę do obniżenia zużycia energii elektrycznej oraz wydłużenia czasu pracy pomiędzy kolejnymi ładowaniami baterii. Niestety detekcja odległości wymaga ciągłego wykorzystania toru nadawczo-odbiorczego, co nie wpływa pozytywnie na parametry energetyczne systemu. Optymalna metoda pomiaru odległości powinna zatem zapewniać możliwie wysoki poziom energooszczędności.
Skalowalność. Przyjęta metoda powinna umożliwiać poprawną detekcję odległości w zatłoczonym środowisku, w obecności wielu różnych urządzeń. Istotna jest zatem zdolność do jednoczesnego pomiaru odległości pomiędzy wieloma różnymi obiektami.
Co do zasady, każda technologia komunikacji bezprzewodowej umożliwia pomiar odległości oraz lokalizacji urządzenia z określoną dokładnością. W tym celu wykorzystuje się kombinację metod przetwarzania sygnału (z użyciem pomiaru parametrów czasowych oraz kątowych) oraz technik wyznaczania pozycji (jak np. triangulacja lub trilateracja).
Wykorzystywanie Wi-Fi
Technologia Wi-Fi jest powszechnie wykorzystywana we wszelkiego typu urządzeniach mobilnych, przy czym wymaganą infrastrukturę sieciową znaleźć można w znacznej części budynków mieszkalnych oraz użytkowych. Szczególnie łatwo napotkać sieci tego typu w dużych obiektach użyteczności publicznej, takich jak lotniska, dworce, centra handlowe, a także w lokalizacjach podziemnych, gdzie w dodatku technologie oparte na nawigacji satelitarnej mogą być całkowicie niedostępne lub charakteryzować się dużą niedokładnością.
Zaletą tego protokołu jest przede wszystkim jego duża dostępność oraz łatwość w konfiguracji. W połączeniu z ulepszeniami metod wyznaczania lokalizacji wprowadzonymi w nowych wersjach standardów technologia ta dostarczać może całkiem dokładnych pomiar odległości pomiędzy urządzeniami.
Najpowszechniej stosowana metoda pomiaru lokalizacji w tego typu sieciach oparta jest na kontroli siły pochodzącego z punktu dostępowego sygnału odbieranego przez odbiornik. Wartość tego parametru, określana jako RSSI, pozwala na uzyskanie dokładności rzędu ok. 10 m, co może zostać następnie zredukowane do 1-3 m w przypadku wykorzystania nowszej metody określanej jako Round-Trip Time (RTT). Nawet taka dokładność może nie być jednak wystarczająca do efektywnej pracy systemu, prowadząc do wielu fałszywych alarmów, zarówno negatywnych, jak i pozytywnych. Metoda ta może również obniżyć swoją efektywność w przypadku obecności zakłóceń generowanych przez dynamicznie zmieniające się środowisko - odbicia i rozpraszania sygnału na umieszczonych w okolicy obiektach. Trudno również wyobrazić sobie skuteczną implementacją tej technologii na dużych otwartych przestrzeniach, gdyż wymagałoby to znacznego zagęszczenia sieci punktów dostępowych. Każdy z takich punktów wymaga dodatkowej infrastruktury, jak np. podłączenia do źródła zasilania.
Bluetooth Low Energy (BLE)
Technologia BLE cechuje się ogromną popularnością wśród wszelkiego typu urządzeń mobilnych. W porównaniu to protokołu Wi-Fi, wyznaczanie lokalizacji za pomocą BLE wyróżnia się kilkoma zaletami, np. krótszym czasem pomiaru oraz lepszą dokładnością. Technologia ta jest również zdecydowanie bardziej energooszczędna, co ma szczególne znaczenie w przypadku urządzeń noszonych. W przeciwieństwie do Wi-Fi, BLE nie wymaga również żadnej szczególnej infrastruktury. Sygnał niezbędny do pomiaru odległości może zostać odebrany z każdego układu wyposażonego w ten interfejs. W przypadku chęci stworzenia stacjonarnej sieci nadajników niewątpliwym ułatwieniem jest możliwość zasilania ich za pomocą baterii, co eliminuje konieczność konstruowania dodatkowej infrastruktury sieci zasilania.
Wyznaczanie położenia odbywa się poprzez mechanizm triangulacji wykorzystujący dane pozyskane z innych układów BLE. W przypadku posiadania wiedzy o lokalizacji tych układów możliwe jest określenie bezwzględnej wartości położenia, w innym razie otrzymać można jedynie położenie względne oraz wartość odległości pomiędzy układami. Dane te są jednak wystarczające do prawidłowej kontroli przestrzegania dystansu społecznego.
Wadą sygnału BLE jest duża podatność na wpływ otoczenia, tłumienie oraz interferencje. Dotychczasowe implementacje pozwalały na uzyskanie dokładności pomiaru o wartości nie lepszej niż 2 m. Taka precyzja stanowić może spory problem i prowadzić do wielu fałszywych alarmów.
Sieć komórkowa
Infrastruktura sieci komórkowych obecna jest właściwie na całym świecie, zapewniając pokrycie prawie całej zamieszkanej jego powierzchni. Jej powszechność pozwala na dość precyzyjną lokalizację telefonu komórkowego w terenie otwartym. We wnętrzach budynków sytuacja wygląda nieco gorzej, ponieważ zakłócenia, odbicia, tłumienie oraz interferencje sygnału znacząco pogarszają dokładność pomiaru.
Technologia komórkowa podlega ciągłemu rozwojowi, zaś każda kolejna generacja pozwala na większą dokładność wyznaczania lokalizacji. Współcześnie stosowane techniki, takie jak assisted GPS (A-GPS), enhanced Cell ID (E-CID) oraz OTDOA (observed time distance of arrival), znacząco poprawiły precyzję wyznaczania położenia, pozwalając osiągać wartości rzędu od 5 do 10 m.
Zaletą tej metody jest brak konieczności budowania dodatkowej infrastruktury - już istniejąca sieć komórkowa ma globalny zasięg. W dodatku znaczna większość światowej populacji ma przynajmniej jeden telefon komórkowy, dzięki czemu do wdrożenia systemu konieczne jest jedynie opracowanie odpowiedniej aplikacji mobilnej.
Wielu dostawców usług telefonicznych pracuje obecnie nad rozwojem sieci 5G, która to technologia pozwala na osiąganie znacznie lepszej precyzji pomiaru położenia, o wartości poniżej 1 m, zarówno na zewnątrz, jak i w środku pomieszczeń. Dalsza rozbudowa infrastruktury 5G oraz postępujące upowszechnienie tej technologii uczynią ją zapewne w niedalekiej przyszłości interesującym wyborem w przypadku wielu systemów opartych na pomiarze położenia obiektu lub odległości pomiędzy nimi.
Ultra Wideband (UWB)
Technologia Ultra Wideband (UWB) od kilku lat zdobywa coraz większą popularność w świecie urządzeń mobilnych. Standard ten znaleźć można obecnie między innymi we flagowych modelach smartfonów oraz wielu innych urządzeniach typu smart. W przeciwieństwie do najpopularniejszych protokołów komunikacyjnych, takich jak Wi-Fi czy Bluetooth, UWB operuje w znacznie szerszym paśmie oraz z użyciem wyższych częstotliwości, wykorzystując przy tym sygnał impulsowy. Typowy zakres pracy UWB to od 3,1 GHz do 10,6 GHz, przy szerokości pasma transmisyjnego nie mniejszej niż 500 MHz.
Jednym z głównych zalet technologii UWB jest zdolność do bardzo precyzyjnego wyznaczania odległości pomiędzy odbiornikiem a nadajnikiem, z dokładnością rzędu od kilku do kilkunastu centymetrów. Ze względu na częstotliwość pracy technologia ta cechuje się stosunkowo krótkim zasięgiem, nieprzekraczającym kilkudziesięciu metrów. Do jej zalet zaliczyć można niski koszt oraz wysoką energooszczędność. Szerokie pasmo pracy znacząco zwiększa odporność sygnału na zakłócenia wąskopasmowe oraz negatywny wpływ zjawisk takich jak wielodrogowość. Rozproszenie energii sygnału w szerokim paśmie utrudnia również detekcję transmisji, co zwiększa bezpieczeństwo komunikacji i obniża prawdopodobieństwo jej przechwycenia. Ze względu na wyższą częstotliwość pracy anteny UWB charakteryzują się mniejszymi rozmiarami niż w przypadku technologii Bluetooth oraz Wi-Fi, co może mieć kluczowe znaczenie dla niektórych urządzeń mobilnych.
Technologia UWB polega na transmisji bardzo krótkich impulsów sygnału pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem. Odległość pomiędzy antenami obliczana jest na podstawie czasu podróży sygnału - czyli połowy długości czasu pomiędzy wysłaniem zapytania a otrzymaniem odpowiedzi. Ze względu na brak konieczności stosowania jakiekolwiek modulacji sygnału, znacząco skraca się opóźnienie związane z jego przetworzeniem, jednocześnie upraszczając konstrukcję układu nadawczo-odbiorczego w urządzeniu.
Damian Tomaszewski
