のやソーシャル ディスタンスにけた
IoT テクノロジの
TND6351JP/D
Rev. 1, August − 2021
のやソーシャルディスタンスにけた IoT テクノロジの
はじめに
のに、マッチングアプリなど、スマートフォンを用したリアルタイムのSNS
ペアリングアプリが登し、スマートなソーシャルの管理が現できるようになりま した。これらのアプリの目的は、いに した「プロファイル」を持つ複数のユーザが、プライベートかつ自発的な方法でを'わせるようにすることでした。 くべきことに、
新(コロナウイルスが,界的に流行している-日、複数の./がいに接近しすぎないよ うにするために 技術が用されています。数0には、SNSによる./データプライ バシーの悪用が3になるとは認識していませんでしたが、現5では67情8などが9:
インフラを通じて流;する<性があるため、このことが懸念されています。,界=の>
くの/々にとって、./の移?や活?にする純粋な追跡機能も懸念材料となっています
。@様に、AB者のCD性EFをG能にするH種アプリケーションに提案されたスマート ジオフェンシングデバイスも、西N社Oでは採用がんでいません。
ワクチンやR的治療がS規模にTされたとしても、,界のSUのVやWXでは、ソー シャルディスタンスまたは物理的距を確Zすることが、感染を管理[に置くための要 な方法の1つと考えられています。新しい\異(ウイルスの発見に]い、-後の状況を正確 にR想するのは^であり、このような距確Zがますます要になってきました。
Wや_にマークを表示したり空(スポーツ競技、b物、レストランなど)に
;dりする/々の数を手?で計測するなど、物理的距の管理に役立つ直接的な方法がい くつかあります。ただし、このような既eの方法では手と時がかかるので、物理的距
の管理を自?fすることが求められます。1つの択肢は、着用者がg/にhに接近す
るとリアルタイムで<警iを発するj(・軽デバイスを発することです。この種の デバイスは、インダストリ4.0でAB者のCD確Zをmるなど、gのnでもo用できます。F記のトレンドを考慮すると、q[の特を持つ./管理ソリューションをsに投dす るtuはあるでしょう。
•,Bluetooth ® Low Energyなど、vwく用されx性がいワイヤレスプロトコルをzむ
エネルギー~率のいテクノロジ
•,ピアツーピアベースのデバイス識
•,2のデバイスが接近しすぎるかれすぎると、直ちに警iアクションを行する能
このデバイスを fするには、いくつかの技術的要を満たす必要があります。まず最 も要なことは、デバイスは./データをZ持しそのデータをモバイルアプリに送xする ためCDでなければなりません。デバイスは/に着用するので、軽かつバッテリで?
し、製造時のコスト~果がいことも求められます。
この文書では、Bluetooth
® Low Energyテクノロジ応無線、H種置測テクノロジ
(RSSI
またはRTLS
ベースの測)
、複数のスマートアルゴリズムを組み'わせることにより、コスト~率がく、セキュアで期維持G能な./管理ソリューションを現す る方法を示します。この装を成させるには、RSL10など消費が
にjさいBluetooth Low Energy SoC
がG欠です。Bluetooth Low Energyワイヤレスプロトコルは、現5では資産管理Eけの般的な択
肢で、B2Bアプリケーションの50%をめています。Bluetooth Low Energyにはエコシス テムが蔵されており、消費、接続範、資産の特性評t、セキュリティのでバ ランスをmると@時に、置測、セキュリティ、柔軟性の装方法(ピアツーピア、エッ ジデバイスからスマートフォン、エッジデバイスからゲートウェイなど)をzむいくつかの 拡機能も提します。置測および距測にo用できるBluetooth Low Energyベースシステムがいくつか あります。
モバイルアプリをしたソーシャルディスタンスの
スマートフォンベースシステム
このソリューションを装するターゲットはウェアラブルデバイスで、と方の 状況に応できます。これはサイドで@じアプリケーションを行する必要があるた め、称(装です。スマートフォンでモバイルアプリケーションを行する必要があり ます。スマートフォンはvwく用されており、フランスのStopcovidなど数社がすでに接 触追跡用モバイルアプリを販¡しています。
Figure 1. StopCovid France Mobile App
StopCovidアプリは、ユーザデータZ護にしては懸念がありましたが、20206月末ま
での時点で180
¢£qFダウンロードされ、2020 10
月末の時点でユーザ数は260
¢/に しています。フランスでは総/¤6,740¢/にして、モバイル¥d者の総数は1¦800¢/です。
にする
接触追跡アプリが§けdれられるかどうかはWXによってSきく異なります。ドイツ、英 V、フランスを比較してみましょう。
フランスの'、
260
¢/の用ユーザ(
/¤の約3.8%)
のうち、わずか472
/の近接接触 者が登 されただけであり、20206月23日時点で18のリスクケースが通知されていま す。このアプリケーションのZ¨コストは、フランス政©の負担で毎月10¢〜20¢ユーロ と推されます。2020 11
月末までに、ダウンロード数は1,000
¢£にしました。ドイツと英Vで装された の接触追跡アプリは、それよりかなりい採用率にして おり、ユーザ数は約2,000¢/です。これはドイツの/¤の約24.1%、英Vの/¤の約30%
に相当します。
グローバルTのªな課は、これらHV独自のアプリケーションは、いずれも換性が ないことです。ハードウェア、アプリケーション、クラウドデータ管理レベルで、vwい
¬調と標準fを施すればSvな改を期待できるはずです。
コロナウイルス
新(コロナウイルスの文脈では、近接状況とは1mqの近接接触を15n継続すること と義されます。この義は追跡に用するどのテクノロジでもほぼ:通ですが、科®的 情8に¯づき時経に]って\fするG能性があります。
スマートフォンモバイルアプリの'、装にはクラウドベースとピアツーピア検;機能 を用する2つのªな手法があります。
クラウドベース
クラウドベース装では、スマートフォンはW理的な置測°歴と°歴アプリケーショ ンが記 した;Oい°歴を暗±f形²でサーバに送xします。o用者の誰かが新(コロナ ウイルス!性と認識された'、その/が誰かは明らかにしないで近接接触者に通知がプ ッシュ送xされます。
クラウドベーステクノロジの'、システムはスマートフォンがスキャンしたgのMAC アドレスを記 し、それらのアドレスを³´でクラウドにプッシュ送xします。次にクラ ウドアプリケーションは、「post-exposure risk notification (感染源";後のリスク通知)」
を行います。
リアルタイムで距警iや感染源";警iが発生することはありません。観測が行われ、
クラウドにプッシュ送xされた後、クラウドNアルゴリズムがそのデータを§けµって¶
理します(/·知能(AI))。この情8は感染追跡データベースに記 されている./情8と
#¸けられ、該当ユーザにフィードバックされます。
ピアツーピア
2番目のオプションは、スマートフォン¹独の装であり、モバイルデバイスでピアツ
ーピアの距検;を行います。現5のスマートフォンのSUは、近くにあるH種アクセサリ(スピーカなど)を検;する能
を»えており、ハプティクスフィードバック(振?など)を生成すると@時に、そのアクセ サリと推¼アクションを表示します。この手法は>くの'、Bluetooth Low Energyと超 wSXテクノロジの組み'わせに¯づきます。この手法は½らかの継続的なスキャンを必 要とし、Sのエネルギーを消費します。また、ピアツーピアスキャンモードを用して いるは、スマートフォンの自律性もSvに[します。
まとめ
0述の理由
(
ピアツーピアはハイエンドのエネルギーコストがいテクノロジ、クラウド ベースのアプローチはリアルタイム管理システムではない)から、我々はこのようなテクノ ロジの装をこれqFは発しないRであり、¾わりにタグベース装について検討し ます。タグにづくソーシャルディスタンスの
考えられる策としては、リアルタイムでのソーシャルディスタンスの確Z情8のZeな ど、特目的¿用のタグを用することです。これは必要な状況でのみ装着できるので、
$Àな択肢になります。これにより、スマートフォンのバッテリÁÂにÃぼす影%を軽
減できます。ケース1:Bluetooth Low EnergyでのRSSIをしたアドバタイズ
RSSIベースシステムの能と限
理想的なRF環Äである「放空」では、無線エネルギー束の送x強hは距のÅÆに Ç比Èして減衰します(拡Sする球の&Xにおける束)。ただし、'のシナリオで は、状況は決して理想的なものではなく、§xx±強hインジケータ(RSSI)は¹に距だ けでなく、>くの要Éに応じて\fします。このモデルを補正するために、さまざまな
(数を追¥またはÊ)して、無線性能に影%をÃぼすq[の要Éを補Ëすることができ
ます。*
無線の>経路とパデイング。これらはい、=900MHz
および2.4GHz
送xにおいて 3のÍÉとして認識されてきた。*パッケージングおよびウェアラブル条に#する無線感hの\f
*
アンテナのゲインやケースなどこれらの\数がÍÉで、RSSI距をÎするための通の²である(RSSI = f>(Distance) とDistance = g(RSSI))はÏDに正確ではなくなります。により複*なモデルが提案さ れてきたので
(Source 1)
、それらを考慮します。RSSI = −10 n log d + A
(d =
距、A =
送x、n =
x±Ð播数、RSSI = dBm)
般的な誤りは、'の送x(Tx)を¾dし、²の数「n」を$用することによってこ の²を¹純に考えることです。照的に、最良の方法はこの²をÑ照ポイントにする相
的なuとして用し、経(に¯づく検証を発プロセスにzめることです。
@様に、自由空でn = 2のはずですが、このuはÒ+形状に¯づいて\?します。Èえ ば、Óがe5するとRSSIは約3>dBm[し、それがnに影%をÃぼします。
Figure 2. RSSI Path Loss Exponent for Different Environments (Source:
Evaluation of the Reliability of RSSI for Indoor Localization)
(は§xx±強hのG\性を強調しているように見えます。さらに、この²の数的性 質から、距が5>m未満の'、距推uがRSSIuにSきな\fをもたらすことを示して います。したがって、計算と距推uの誤Ôが潜5的に要になります。
Figure 3. The Establishment of the Reference Curve (Source: Evaluation of the Reliability of RSSI for Indoor Localization)
実験による確認の必要性
我々はF記の観測結果から、距の計算をÕする0に、ハードウェア特性評tによる
(的検証が必要と考えました。
所要精hを確Zするには、測にする統計に¯づく追¥計算が必要です(;Ö1)。9ペー ジで、マイクロコントローラが最j,の消費でnな¶理能を提する必要がある 理由について、さらに解説しました。
RSSI
に基づくリアルタイム険アラートを生成するシステムの実装ピアツーピアエッジベースシステムで、Hデバイスは継続的にそれぞれの距を監視し、
ピアデバイスが近すぎるとリアルタイムでユーザに警iします。このシステムをアクティ ブ
RTMS (Real
-Time Monitoring System
: リアルタイム監視システム)
と×びます。このシ ステムは(F記のスマートフォンアプリケーションÈとは異なり)ÏDにエッジベースなので、?に当たってクラウドのØ5はありません。純粋にRを目的としています。
Figure 4. Edge−based Peer−to−Peer System (Source: BLINQY, Tatwah)
この種のシステムは、リアルタイムでアラートを送xできるので、ソーシャルディスタン スの確Zが目的と考えることができますが、j(、軽、Ù用G能なデバイスも用し なければなりません。
このシステムは./データのÏD性と機Ú性をZ証しますが、法Ûで認められる'、
1つのオプションは、./の接触情8をクラウドにアップロードして感染源";後の追跡を
許Gするかどうかを、Hユーザが決できるようにすることです。このシステムは、2のデバイスにアクティブなやりとりが発生しないので、接続モ ードシステムのÈです。HデバイスはÜから情8が送られてくるのを「待機し」、通x 相手が近すぎるかどうかをÎします。
ピアツーピア相"#用の定義
理想的な性能を現するには、Hウェアラブルデバイスはインターリーブ形²のアドバタ イズ機能とスキャン機能を装する必要があります。
検;状態では、ビーコンはブロードキャストとスキャンの2つのモードをÞにÀり替え ます。
1. ブロードキャストモードでは、ビーコンは方E指なしかつ接続G能なアドバタイズ (Tx)を行します。フレームのßはブロードキャストフォーマットとして義されます。
ブロードキャスト期はランダムに義されます。ランダムfにより、いに近接する&
Xにある複数のタグので、ブロードキャスト期とスキャン期が@時に発生する確 率を最jfできます。
2.
スキャンモードでは、デバイスはチャネル37 (2402
>MHz) 、 38 (2426
>MHz) 、 39 (2480
>MH z)のそれぞれでスキャン(Rx)し、Hチャネルのスキャンウィンドウのこの-àが維持され
ます。スキャン期はランダムに義されます。Figure 5. Randomized Scanning Advertising
ピアデバイスの1が、接続G能なアドバタイズメッセージ形²で自身の意IDを送x します。gのピアデバイスはすべてÜからの着xを待機(スキャン)し、近接hがアラーム の象になるかどうかをÎします。
アラーム送xのしきいuはプログラマブルで、¹純な警iから致Â的アラートまでの範
で指できます。ユーザは.'によりアラーム/をâ止することもG能です。
Figure 6. Peer−to−Peer Interaction Range (Source: BLINQY, Tatwah)
アラームウィンドウのに意の
MAC
アドレスがÞ換されるので、さらなるサービスを 提案できます。意IDの送xと環Äスキャンの比率は、バッテリÁÂを最$fするうえでに要です。
受$(Rx)電と送$(Tx)電のバランス
ソーシャルディスタンス確Zタグは、エネルギー消費が最$fされ~率良く検;できるよ うに設計する必要があります。タグは自身のIDの送xと、ÜにあるデバイスIDにする 情8の§xをÞに行し、@時に距を計算します。RxとTxの方がÞに行されま すが、Hフェーズのエネルギー消費はSきく異なるため、インターリーブの比率は詳細 にn析する必要があります。ここでその理由について説明します。1秒にq[の操を 行するとしましょう。
Figure 7. Transmitting and Receiving Powers
1−20 Rxスキャンスロット、Hスロット24>ms (3.のBluetooth Low Energyアドバタイズ
チャネルを用。したがって、Hチャネルのスキャン時はおよそ7 x 24
>ms = 168
>ms)
。 このシナリオでは、1秒に意のTxビーコンを検;できる確率は16.8%であり、6秒経後は100%になります。Hスキャンアクションのコストは205>mJであり、10秒のRxエネル ギー !は41,0007mJです。
2−3 x 7 Tx
スロット、Hスロット1
>ms (x 3
チャネル、7 x 1
>ms)
HTxアクションのコストはチャネルあたり7>mJ つまり、10秒の Txエネルギー !は1,4707mJこのシナリオで、
1
秒に応する7
.のTx
ビーコンのうち1
.を検;できる確率は100%
で あり、Rx/Tx時の比率は24になります。消費電とエネルギー消費量の最適*
この装の応答時は速(1秒)ですが、Dエネルギー消費のうちRxフェーズのみと
Txフェーズのみを比較すると、きわめてã衡です。ここではCR2032バッテリを用
しているので、検;性能を犠牲にしないでバッテリ用を最$fする必要があります。そのために、RX持続期を1/2または1/3に短縮し、TXを2äまたは3äにåします。この
²を$用するとより良æな結果が得られます。
Figure 8. Power Consumption and Energy Budgets µJ spent
over 10 sec 20 RX + 21 TX 10 RX + 42 TX 8 Rx + 50 TX 6-7 Rx + 63 TX
RX Energy 43200 21600 17280 14400
TX Energy 2898 5796 6900 8694
Total 46098 27396 24180 23094
アドバタイズçは最j
(20
>ms)
なので、1
秒でÏèするのはわずか50
£のTx
と考える 必要があります。したがって、24>msのスキャンを8£行することになります。1秒当たり の'計消費エネルギーは約24,200>mJです。受$性能に+ぼす影響
従来(のアドバタイズビーコン(接続G能モード)を用する'、発者は送x時にお けるエネルギー消費の最$fに注することになります。
ただし、ピアツーピアセンシングビーコンを用する'、§xエネルギー消費は、D エネルギー消費のうち60〜90%をめます。q[のFigure 9に示すように、Bluetooth Lo
w Energy
規格のé約のため1
秒あたりのTx
アドバタイズの最S£数は50
£であり、その結 果、最jRxスロット数は8.になります。Figure 9. Rx versus Tx Energy Consumption during Advertising/Scanning
これらの要Éのため、ワイヤレスデータの送§x=に最
$な
消費を現できるBluetooth Low Energy
無線を給することがG欠です。24時間のミッションプロファイルとスマートセンサの役7
このデバイスで用するBluetooth Low Energy無線の消費を最$fすると、デバイ スDのエネルギー消費をSvに改できます。このほか、スマート移?検;êを装 すると、デバイス未用時の消費をさらに改できます。
最ëに、デバイスのミッションプロファイルの性質、すなわちデバイスが
24
時のにど のように用されるかを考慮する必要があります。ここでは、íã的な従業îの活?状 況に¯づいて計算を行い、10のíãAB時を40時(10のïð日数5日、1日当たり の活?時8
時とñ息時16
時)
と想しています。また、デバイスがj(210
>mAh CR2032バッテリから給されていることも0提となっています。
Figure 10. A Typical Mission Profile for Social Distancing Device (Courtesy of BLINQY, Tatwah)
RSL10の計算8率
Rx性能とTx性能が消費にSきな影%をÃぼしますが、距の計算、デバイス?の
リアルタイム管理、シンプルで~率的なMMIの成などもエネルギー特性に影%をòえるこ とに注意してください。RSL10無線の計算能は、q[のさまざまな要素の組み'わせによって決まります。
•,超消費の32ビットDSP
•,超消費のメモリアーキテクチャ
•,超消費のコア装
これらの組み'わせは、MHzあたりのmAにする,り競óのい特性を現します。
RTLS/AoAテクノロジにづくソーシャルディスタンスの
RTLS/AoAの定義
AoA (Angle of Arrival: ô来角)とは、¯準にしてデバイスが形成する角hを計算するた
めの技術的な概念です。AoA
の¾表的な装は、õ0義済みの¯準方Eを用して設置さ れた置測ö(インフラストラクチャで形成されます。置測は、AoAÍ理を用し、複数ののÞÔ+nを組み'わせて行うことができます。
さらに、特の通xチャネルを複数用して、
1
.のRTLS (Real Time Localization Syste m: リアルタイム置測システム)を成できます。
Figure 11. Localization with AoD or AoA
9用可能なテクノロジ
Bluetooth Low Energy (Bluetooth 5.1)
Bluetooth 5.1規格は、Bluetooth Low EnergyEけに追¥の方E検;サポートを÷dしまし
た。この規格は、¯準との角hを計算(
方E検;)
できるように、移?からö(インフ ラストラクチャに送xされたBluetooth Low Energyアドバタイズフレームの用方法を規しています。
これはアプリケーションを想して用されます。すなわち、アドバタイズフレームの
ßと義、システムのタイミングと役øはアプリケーションの目標を考慮して規されま す。
Figure 12. AoA Principle (Source: Bluetooth, SIG)
Bluetooth 5.1が9的規格であるというõから、発者には装にするある程hのガイ
ダンスがòえられます。ただし、置測方法にするコンピュータNのé約とリアルタ イムのé約をzめ、システムアーキテクチャDがú括的に義されているわけではあり ません。¥えて、Bluetooth 5.1に¯づくs販の装はまだ登していません。Quuppa Intelligent Locating Systemt
BLE5.1に¾わる択肢であるQuuppa Intelligent Locating System (Quuppaインテリ
ジェント置測システム)
は、Bluetooth Low Energy 2.4
>GHz
û無線フロントエンドと、Bluetooth Low Energy通xのいくつかのÍ理を用しています。ただし、このテクノロジ
の~率をさらにめる要な技術的アドオンも複数提されています。Figure 13. 2.4 GHz ISM Band
Quuppaテクノロジ装にはいくつかの派生版がありますが、ここで検討
するのは、Quuppa Tag Emulation Proです。このテクノロジの特はq[のとおりです。
*リアルタイム性能をEFさせるために最$fされたアドバタイズ構造
*消費を最$fするためのシングルチャネル送x
*÷dとシステムTをß易にするÏDなインストーラ環Ä
これらの特徴を組み'わるときわめていエネルギー消費につながり、タグベースの接触 追跡ソリューションのüれた択肢となります。
屋=用途向けリアルタイム?置測?システム
RTLS AoA
システムは、Bluetooth
ビーコンが必要とする演算要とリソースがö(応 システムよりもはるかにjさいため称(です。ペリフェラルの役øは軽いのにし、=ý+の役øはく、複数の複*なアンテナハードウェアアーキテクチャが装されます。
>くの'、=ý+の役øを補Ïするために、
Quuppa
ベース装のように、x±¶理と水準のタイムオブフライト、相Ôパラメータ計算を用します。置測精hは、
状況では最良で10>cmにします。
" #$リアルタイム%&'8ソリューション
Figure 14. RSL10 Quuppa AoA RTLS Tag CMSIS Pack
オンセミはQuuppa社と¬し、Bluetooth Low Energyテクノロジと、Quuppa社のI
ntelligent Locating Systemを組み'わせて用するの資産追跡EけにRSL10無線をベ
ースとするソフトウェアソリューションをリリースしました。このソリューションは、オンセミの資産管理を目的としたú括的かつ自þÏ結(発エコシステムの+という形 で提され、タグメーカTatwah SAの製品もzまれています。
オンセミのRSL10は、ö(RTLSアーキテクチャをタグNでサポートします。クラウド Nで距を計算し、アルゴリズムがリアルタイム情8に近い形で結果をタグに返し、複数 の
LED
の点滅やハプティクス(
振?)
フィードバックのような形でアラームを通知します。この機能はö(インフラストラクチャからタグに送xされる、いわゆる「バックチャネル
」メッセージの形で装されます。
Figure 15. Indoor Positioning System (Source: Quuppa)
RSL10のSきなo点は業界をリードする消費です。我々はd手G能なH種Bluetooth
Low Energyコンポーネントについて、@じ?条で用したときの性能をn析しまし
た。RSL10は統'レベルでも妥¬なしに、ªな競'製品をF£る性能であることが確認でFigure 16. Energy Consumption Comparison across Bluetooth Low Energy Radios
ソーシャルディスタンスのためのリストバンド
ú括的かつ自þÏ結(ソリューションを現できるように、Tatwah SAはメーカが資産追 跡や社O的距管理Eけタグを簡¹に発できるように、>様なパッケージオプションと 組み'わせた¹ハードウェアプラットフォームを提しています。
25qFにわたるRFIDやgの接触(テクノロジの発経(を持つTatwah SAは、RSL10
無線に¯づくソーシャルディスタンス確Zのための新しいIP68/65
クラスウェアラブルデバ イスを製しました。これら新デバイスは、ユーザがいに1.5>mqの距に接近すると サウンドアラームを発します。また、ユーザデータをZ護するためのプライバシー機能も 搭載しています。これらのリストバンドは、カラーやバーコード/QR
コードへの応など、追¥機能を用してカスタマイズすることができます。
Figure 17. SD−WB−100 and SW−WB−400 Wristbands from Tatwah
(Source: Tatwah)
まとめ
この文書では、オンセミの
RSL10
のような超Bluetooth
無線と、距推用のスマー トアルゴリズムを組み'わせて、または環ÄEけRSSI、あるいは環ÄEけリ アルタイム置測システムに¯づき、ソーシャルディスタンスの確Zを現する方法に ついて説明しました。この方のテクノロジを活用することにより、./データのプライ バシーZ護やバッテリÁÂの維持を現しながら目的を成することができます。民生ア プリケーションまたはB2B
アプリケーションに'わせて択するテクノロジに応じて、
CR2032
バッテリ1
.の用で製品の?ÁÂが数か月から数の範で\?するG能性があります。
この種のデバイスは、ソーシャルディスタンスの確Zやその追跡だけでなく、AB者のC D性確Zやジオフェンシング要にも有益です。
Ñ考文献:
https://www.rn.inf.tu−dresden.de/dargie/papers/icwcuca.pdf
https://iotandelectronics.wordpress.com/2016/10/07/how−to−calculate−distance−from−the−r ssi−value−of−the−ble−beacon/
RSL10 Quuppa Tag Demonstration User Manual Tatwah Products and Services
Quuppa Technology Overview BLINQY IoT Software
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