為接觸者追蹤構建更精確的無線測距解決方案
發布時間：2022-3-23 10:54
發布者：eechina
關鍵詞：
無線測距
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無線測距可以在自動追蹤密切接觸者時起到關鍵作用，該技術能夠幫助識別并分析像新冠肺炎這樣可能通過密切接觸者傳播的傳染病的疫情。使用藍牙低能量（BLE）的傳統測距方法在理論上可以提供準確的數據，但射頻（RF）信號傳輸的實際限制會影響這種準確性。隨著對幫助遏制COVID-19傳播的更有效方法的需求增長，開發商正在尋找傳統方法的替代品，以提供最大的準確性，同時仍然平衡成本和易于部署。 為了滿足這些需求，Dialog半導體公司已經開發了一個軟件解決方案，利用目前可用和部署的BLE技術和基礎設施。一旦作為公司BLE系統芯片（SoC）設備的軟件升級實施，該解決方案可以實現更精確的、類似雷達的無線測距。 這篇文章介紹了聯系人追蹤的工作原理。然后介紹了Dialog半導體公司的藍牙設備和配套軟件，它們為實現合同追蹤和其他接近檢測應用所需的精確無線測距提供了更精確的解決方案。 為什么接觸者追蹤對于遏制COVID-19至關重要？ 限制傳染病的傳播是流行病學的基石，在管理面臨像嚴重急性呼吸系統綜合癥冠狀病毒2（SARS-CoV-2）這樣的新病毒的人群健康方面尤為關鍵，該病毒引起COVID-19疾病。減少疫情爆發的最有效工具之一是使用接觸者追蹤做法。 接觸者追蹤在原則上聽起來很簡單：識別并通知最近與傳染病人接近并可能自己被感染的人。在實踐中，接觸者追蹤的工作流程是相當復雜的，通常要依靠大量的個案工作人員來采訪受感染的人，并通知和幫助那些可能有后續感染風險的人（圖1）。當這些被通知的人進一步限制他們與其他人的接觸時，病毒的傳播鏈就會中斷。 
圖1：美國疾病控制和預防中心（CDC）建議采用接觸者追蹤工作流程，在感染者提供的接觸者名單的基礎上，通知那些可能需要在建議的14天內對推定的COVID-19感染者進行自我隔離的個人。(圖片來源：CDC) 對于COVID-19來說，需要快速識別和通知可能的感染，這一點特別重要，研究人員仍在努力全面了解其傳播和感染模式。事實上，關于COVID-19的基本醫學相關事實只是在最近才被開發出來。例如，在SARS-CoV-2病毒被確認的幾個月后，流行病學家證實，尚未出現COVID-19癥狀的感染者有可能傳播病毒[Furukawa]1。 由于了解到這種無癥狀傳播是可能的，早期接觸者追蹤對于減緩COVID-19大流行病的傳播變得非常重要。使用標準的流行病學建模方法，CDCCOVIDTracer電子表格工具展示了早期接觸者追蹤對100,000人的代表性人口中每日病例的影響（圖2）。
圖2：CDC的一個模型說明了在10萬人口中，使用不同的策略可以使一年內發現的新病例的曲線變平。紅色虛線表示每個接觸追蹤策略的開始。(圖片來源：CDC) 如圖2所示，疫情的發展過程會因選擇三種不同的接觸者追蹤策略之一而有很大不同。 · 策略1：只有在一個人已經出現COVID-19的癥狀后，才開始對其進行接觸追蹤（在這個模型中，根據研究報告，在感染后7天）。 · 策略2：當受感染者首次出現癥狀時（感染后6天），立即開始追蹤接觸者。 · 策略3：當COVID-19檢測發現一個感染者，但在該人出現癥狀之前（感染后4天，根據研究，此時無癥狀傳播成為可能），立即開始追蹤接觸者。 即使在個人成為傳染病后立即開始追蹤接觸者（策略3），進行接觸者追蹤所需的個案工作者數量也會迅速增長。疾病預防控制中心的模型說明了每個感染個體病例平均5次接觸（圖3中的 "低"）和每個病例平均20次接觸（圖3中的 "高"）所需的人員增長。
圖3：CDC模型顯示，假設每個案件平均有5個聯系人（"低"）或20個聯系人（"高"），使用不同的策略可以降低進行接觸者追蹤所需的個案工作人員數量。(圖片來源：CDC) 盡可能早地追蹤接觸者和足夠的工作人員的雙重要求，促使人們努力尋找技術解決方案，以識別和聯系可能與受感染者接近的個人。與其要求受感染的個人記住聯系人，并要求個案工作者追查這些聯系人，適當的技術解決方案可以自動記錄與可能使用相同技術的其他人接近的情況。事實上，這種方法可以提供第四種策略，能夠對在第0天遇到的個人進行追溯性的接觸追蹤，而醫學研究表明，受感染的個人本身會從其他一些有傳染性的個人身上感染疾病。如上圖所示，提前通知聯系人可以極大地拉平每日案件和所需工作人員的曲線。 由于其在智能手機和其他個人移動電子設備上的廣泛使用，藍牙立即成為自動追蹤聯系人的首選技術。它迅速成為制造商、醫療團體和政府組織的一些合作努力所開發的移動應用程序的基礎。然而，在對這些應用程序的有效性的研究中，藍牙的局限性導致了令人失望的結果。 為什么用藍牙自動追蹤聯系人的做法令人失望 原則上，藍牙技術似乎是自動追蹤聯系人的理想解決方案。它的普遍性確保了作為交付平臺的廣泛可用性，其能力似乎滿足了移動應用程序的基本要求，旨在記錄與其他使用相同技術的個人的近距離接觸的情況。 記錄聯系人實例至少需要兩個信息：與聯系人的距離和一些與聯系人相關的全球唯一ID。通常實現為一個經常變化的隨機值，這個獨特的ID被高級應用軟件用來通知聯系人，同時保持隱私，使用不同的方法超出本文的范圍。 藍牙廣告協議提供了一個滿足這些基本要求的現有機制。作為藍牙協議棧的一個標準功能，廣告協議允許設備以最小的功率消耗周期性地傳輸一個小的有效載荷，如唯一的ID。接收廣告協議包的設備也會接收到接收信號強度指標（RSSI）值，大多數無線射頻子系統提供的是信號強度的相對測量，范圍在0到100之間，或由設備制造商定義的其他上限。 從理論上講，隨著發射器和接收設備之間的距離增加，接收器的無線電強度與距離的平方成正比下降。因此，相關的RSSI值將平滑地單調地減少。 在實踐中，RSSI和距離之間的關系可以有很大的變化，正如多年前監督藍牙發展的組織--藍牙特別興趣小組（SIG）所指出的那樣[Gao]2。信號反射、阻擋和干擾會大大改變信號強度。因此，RSSI和距離之間的關系可以從一個樣本到另一個樣本而變化，即使發射器和接收器保持靜止。在最近的一項關于藍牙RSSI對聯絡人追蹤的有效性的研究中，研究人員發現RSSI可以上升或下降，而發射器和接收器之間的物理距離沒有變化，這取決于智能手機被用戶持有的方式或被他們的身體屏蔽的方式，或者無線電信號被周圍結構反射、阻擋或吸收的方式[Leith]3。 開發人員采用了不同的策略，試圖平滑RSSI的變異性。除了簡單地對多個RSSI測量值進行平均，試圖利用RSSI提高距離測量的準確性，已經采用了不同的過濾方法，但效果有限。其他接觸者追蹤建議使用其他無線電技術，如超寬帶（UWB），但與藍牙不同，這些技術缺乏實現立即廣泛使用自動接觸者追蹤應用程序以幫助管理COVID-19疫情所需的普遍安裝基礎。 相比之下，Dialog半導體公司提供了一種軟件解決方案，旨在輕松升級其藍牙硬件解決方案，以提供有效的接觸追蹤所需的精確無線測距。 升級藍牙片上系統以實現精確的接觸追蹤 Dialog半導體公司的無線測距（WiRa）軟件開發工具包（SDK）與其DA1469x系列BLE SoC器件配合使用，以解決現有藍牙技術的精確測距需求。Dialog Semiconductor的BLE SoC旨在滿足各種移動產品的要求，它集成了Arm®Cortex®-M33和一個完整的藍牙5無線電子系統，具有自己集成的基于Arm Cortex-M0+的控制器和一套完整的集成外設（圖4）。
圖4：Dialog Semiconductor DA1469x系列BLE SoC結合了一個Arm Cortex-M33主處理器、一個帶有自己的Arm Cortex-M0+的專用藍牙5無線電系統以及典型無線移動產品所需的一套全面外設。（圖片來源：Dialog Semiconductor） 與任何藍牙兼容平臺一樣，Dialog半導體公司的DA1469x系列支持標準的廣告模式，其基礎是用于在零售場所提供特定位置的信息的信標技術。然而，使用WiRa SDK，開發者可以部署一個類似雷達的協議，能夠達到傳統藍牙RSSI無法達到的測距精度水平。最重要的是，這種新增能力可以部署在現有的基于DA1469x的設備上。 在這種增強的無線測距方法中，藍牙設備執行對話音交換（DTE）協議（圖5）。
圖5：Dialog Semiconductor WiRa SDK通過在兩個連接的設備之間實現DTE數據交換來實現類似于雷達的無線測距，其中一個是標準的藍牙中心角色，另一個是標準的藍牙外設角色。（圖片來源：Dialog Semiconductor） 在該協議中，藍牙設備使用傳統的BLE中心和外圍角色成對連接。中央設備發出DTE啟動請求，使兩個設備同步，然后在BLE空閑期間，在指定的時間和預先定義的頻率集上發送DTE音。反過來，每個設備的無線電子系統對收到的音爆進行高分辨率采樣，并提供同相和正交（IQ）信號輸出。使用IQ樣本，每個設備為每個突發頻率（稱為 "原子"）計算相位，產生一個該設備特有的頻率曲線。 在與其對應的設備交換其特定的頻率配置文件后，每個設備都使用這些數據，使用WiRa SDK支持的兩種方法之一來計算距離。在反快速傅里葉變換（IFFT）方法中，IFFT計算將頻率曲線數據轉化為時域，并將與脈沖響應峰值相關的時間延遲映射為距離測量。 在基于相位的方法中，計算使用兩個裝置的每個原子的相位數據來尋找相位差異。利用這些結果，根據公式1，計算將平均相位差映射到距離（D），單位為米（m）。
其中： 𝑐=光速，單位為米/秒(m/s) ∆𝜑 = 相位差，弧度 ∆𝑓=頻率差，赫茲（Hz）。 𝑁 = 原子的數量 雖然底層機制和計算相當復雜，但Dialog半導體公司使開發人員能夠簡單地評估這種方法并在他們自己的設計中實施。開發人員可以將Dialog半導體公司的DA14695無線測距開發套件（DA14695-00HQDEVKT-RANG）插入他們的個人電腦USB端口，并立即開始使用該公司的樣本軟件探索無線測距功能。 基于Dialog SemiconductorDA14695BLE SoC，該無線測距套件的電路板可作為一個有效的平臺，通過在樣本軟件的基礎上實現定制軟件，或在定制軟件應用中使用WiRa SDK無線測距服務程序。 除了其WiRa SDK，Dialog半導體公司還提供了一個樣本社會測距軟件包，用DTE實現增強型無線測距，并提供了一套相關的軟件程序，包括基于IFFT和基于相位的距離測量方法。例如，清單1中所示的基于相位的計算例程cwd_calc_distance()是對上述基于相位的距離測量方程的直接實現。 副本 float cwd_calc_distance(float *init_phase_atom, float *refl_phase_atom) { float *dd_phi = d_phi; /* reuse d_phi, or: float dd_phi[CWD_N_ATOM_MAX-1];*/ float dd_phi_mean; int i; for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom; i++) { /* phase "difference" between initiator and responder */ d_phi = init_phase_atom + refl_phase_atom; if (i != 0) { /* phase difference between neighboring frequencies */ dd_phi[i-1] = d_phi - d_phi[i-1]; } } unwrap_phase(dd_phi, cwd_parm.n_atom - 1, 1); /* average dd_phi */ dd_phi_mean = 0; for (i = 0; i < cwd_parm.n_atom - 1; i++) { dd_phi_mean += dd_phi; } dd_phi_mean = dd_phi_mean / (cwd_parm.n_atom - 1); dd_phi_mean = wrap_to_two_pi(dd_phi_mean - CWD_PHASE_OFFSET); /* distance */ return (dd_phi_mean * CWD_C_AIR/(4 * M_PI * cwd_parm.f_step * 1e6)); } 清單1：這個計算程序是對上述基于相位的距離測量方程式的直接實現。（代碼來源：Dialog Semiconductor） 結語 無線測距可以為自動追蹤接觸者提供重要的推動力，以幫助識別COVID-19等傳染病的爆發，但傳統的藍牙協議未能可靠地提供所需的精確距離測量。 為了解決這個問題，Dialog半導體公司的一個軟件解決方案提供了一個更準確的、類似雷達的無線測距解決方案，可以作為一個軟件升級來實現基于該公司藍牙低能量系統芯片的系統。這種方法提高了準確性，同時控制了成本，并能在目前活躍的設備上快速部署。 來源：Digi-Key 作者：Stephen Evanczuk |
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