Tworzenie dokładniejszych rozwiązań bezprzewodowego pomiaru odległości w celu śledzenia kontaktów

Bezprzewodowy pomiar odległości może być kluczowym czynnikiem ułatwiającym zautomatyzowane śledzenie kontaktów i może pomóc w identyfikacji oraz analizie ognisk chorób zakaźnych takich jak COVID-19, które przenoszone są przez bliski kontakt. Konwencjonalne metody pomiaru odległości za pomocą technologii Bluetooth Low Energy (BLE) mogą teoretycznie dostarczać dokładne dane, ale w praktyce ograniczenia transmisji sygnału o częstotliwościach radiowych (RF) mogą mieć wpływ na ich dokładność. Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na skuteczniejsze metody, które pomogą powstrzymać rozprzestrzenianie się COVID-19, deweloperzy poszukują alternatyw, które zapewnią maksymalną dokładność, jednocześnie biorąc pod uwagę koszty i prostotę wdrożenia.

Wychodząc naprzeciw tym potrzebom, firma Dialog Semiconductor opracowała rozwiązanie programowe, które wykorzystuje obecnie dostępną i wdrożoną technologię oraz infrastrukturę BLE. Po wdrożeniu w postaci uaktualnienia oprogramowania urządzeń BLE z układami typu system-on-chip (SoC), rozwiązanie to umożliwia bardziej precyzyjny pomiar odległości, zbliżony do pomiaru radarowego.

W niniejszym artykule opisano jak działa śledzenie kontaktów. Zaprezentowano również urządzenia Bluetooth i towarzyszące im oprogramowanie firmy Dialog Semiconductor, które oferują dokładniejsze rozwiązanie wdrożenia funkcji dokładnego pomiaru odległości wymaganego do śledzenia kontaktów i innych zastosowań wykrywania bliskości.

Dlaczego śledzenie kontaktów jest kluczowe, by powstrzymać COVID-19

Ograniczenie rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych jest podstawą epidemiologii i ma szczególne znaczenie w zarządzaniu stanem zdrowia populacji narażonych na nowe wirusy, takie jak SARS-CoV-2 - koronawirus ciężkiego ostrego zespołu oddechowego, wywołujący chorobę COVID-19. Jednym z najskuteczniejszych narzędzi ograniczania ognisk epidemii jest stosowanie praktyk śledzenia kontaktów.

Śledzenie kontaktów jest zasadniczo proste: chodzi o zidentyfikowanie i powiadamianie osób, które niedawno znalazły się w bliskiej odległości od osoby zakażonej i mogły same ulec zakażeniu. W praktyce tok działań w śledzeniu kontaktów jest dość skomplikowany i angażuje duże liczby pracowników zajmujących się poszczególnymi przypadkami, którzy przeprowadzają wywiady z osobami zakażonymi oraz powiadamiają osoby, które mogą być zagrożone zakażeniem i zapewniają im pomoc (ilustracja 1). W przypadku gdy powiadomione osoby ograniczą kontakty z innymi, łańcuch przenoszenia wirusa zostaje przerwany.

Ilustracja 1: Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom zaleca tok działań śledzenia kontaktów polegający na budowie listy kontaktów dostarczonych przez osobę zakażoną w celu powiadomienia osób, które mogą wymagać 14-dniowej kwarantanny, zalecanej w przypadku domniemanych zakażeń COVID-19. (Źródło ilustracji: CDC)

Potrzeba szybkiej identyfikacji i powiadomienia o możliwym zakażeniu jest szczególnie ważna w przypadku COVID-19, ponieważ naukowcy wciąż pracują nad pełnym zrozumieniem sposobów przenoszenia tej choroby i dróg zakażenia. Podstawowe i istotne z medycznego punktu widzenia fakty dotyczące COVID-19 zostały ustalone stosunkowo niedawno. Na przykład kilka miesięcy po zidentyfikowaniu wirusa SARS-CoV-2 epidemiolodzy potwierdzili, że możliwe jest przenoszenie wirusa przez osoby zakażone, które nie wykazują jeszcze objawów COVID-19 [Furukawa]¹.

Odkąd mamy świadomość, że możliwe jest zakażenie poprzez kontakt z osobami bezobjawowymi, wczesne śledzenie kontaktów stało się kluczowe dla spowolnienia rozprzestrzeniania się pandemii COVID-19. Przy użyciu standardowej metody modelowania epidemiologicznego, arkusz kalkulacyjny CDC COVIDTracer pokazuje wpływ wczesnego śledzenia kontaktów na dzienną liczbę nowych przypadków w reprezentatywnej populacji 100 000 osób (ilustracja 2).

Ilustracja 2: model CDC ilustruje, w jaki sposób wykorzystanie różnych strategii może spłaszczyć krzywą dziennej liczby nowych zakażeń w ciągu jednego roku w populacji 100 000 osób. Czerwona przerywana linia oznacza początek każdej strategii śledzenia kontaktów. (Źródło ilustracji: CDC)

Jak pokazano na ilustracji 2, przebieg epidemii może się znacznie różnić w zależności od wyboru jednej z trzech różnych strategii śledzenia kontaktów:

• Strategia 1: śledzenie kontaktów rozpoczyna się dopiero po wystąpieniu objawów COVID-19 u danej osoby (w tym modelu, 7 dni po zakażeniu - na podstawie badań naukowych).
• Strategia 2: śledzenie kontaktów rozpoczyna się natychmiast po pojawieniu się pierwszych objawów (6 dni po zakażeniu).
• Strategia 3: śledzenie kontaktów rozpoczyna się, gdy u danej osoby wyniki testu na COVID-19 są pozytywne, ale przed pojawieniem się objawów (4 dni po zakażeniu, wtedy według badań bezobjawowe zakażenie staje się możliwe).

Nawet jeśli proces śledzenia kontaktów rozpoczyna się w momencie, gdy dana osoba zaczyna zakażać (strategia 3), liczba pracowników, którzy muszą przeprowadzić procedurę śledzenia kontaktów, może szybko rosnąć. Model CDC ilustruje wzrost zapotrzebowania na personel dla średnio 5 kontaktów na jeden przypadek zakażenia (linia „Lower” na ilustracji 3) oraz dla średnio 20 kontaktów na jeden przypadek (linia „Upper” na ilustracji 3).

Ilustracja 3: wykres modelu CDC pokazuje jak różne strategie mogą zmniejszyć liczbę pracowników potrzebnych do przeprowadzenia procedury śledzenia kontaktów, zakładając średnio pięć kontaktów na jeden przypadek zakażenia (linia „Lower”) lub 20 kontaktów na jeden przypadek (linia „Upper”). (Źródło ilustracji: CDC)

Podwójne wymogi dotyczące jak najwcześniejszego śledzenia kontaktów oraz wystarczająca liczebność personelu spowodowały, że zaczęto szukać rozwiązań technologicznych umożliwiających identyfikację i kontakt z osobami, które mogły znaleźć się w bliskiej odległości od osoby zakażonej. Zamiast wymagać od osób zakażonych, aby pamiętały o tym, z kim się spotkały, a od pracowników służby zdrowia, aby starali się dotrzeć do tych osób, warto zastosować odpowiednie rozwiązanie technologiczne, które automatycznie będzie rejestrować przypadki zbliżania się do innych osób, korzystających z tej samej technologii. Takie podejście może pozwolić na zastosowanie czwartej strategii umożliwiającej wsteczne rozpoczęcie śledzenia kontaktów z innymi osobami już w dniu 0, kiedy to, jak wskazują badania, dana osoba zaraziła się od innej osoby zakażonej. Jak sugerują powyższe dane, wcześniejsze powiadamianie o kontaktach może znacząco spłaszczyć krzywe zarówno dziennych nowych przypadków, jak i potrzebnych pracowników służby zdrowia.

Ze względu na powszechną dostępność technologii Bluetooth w smartfonach i innych przenośnych urządzeniach elektronicznych, natychmiast stała się ona technologią wybraną do automatycznego śledzenia kontaktów. Szybko stała się ona fundamentem dla aplikacji mobilnych tworzonych w wyniku wielu wspólnych wysiłków producentów, grup medycznych i organizacji rządowych. Jednak badania nad skutecznością tych aplikacji były rozczarowujące ze względu na ograniczenia technologii Bluetooth.

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.

Po wymianie profilu częstotliwości specyficznego dla danego urządzenia z odpowiadającym mu urządzeniem, każde z urządzeń wykorzystuje te dane do obliczenia odległości za pomocą jednej z dwóch metod obsługiwanych przez zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa). W metodzie odwrotnej szybkiej transformacji Fouriera (IFFT), obliczenia IFFT przekształcają dane profilu częstotliwości do dziedziny czasu i mapują opóźnienie czasowe związane ze szczytową reakcją impulsową na pomiar odległości.

W metodzie opartej na fazach, do obliczeń używa się danych fazowych na każdy atom obu urządzeń, w celu znalezienia różnic fazowych. Korzystając z tych wyników, obliczenia mapują średnią różnicę fazową do odległości (D) w metrach (m), zgodnie z równaniem 1:

Równanie 1

Gdzie:

= prędkość światła w metrach na sekundę (m/s)

∆ = różnica faz w radianach

∆ = różnica częstotliwości w hercach (Hz)

= liczba atomów

Chociaż podstawowe mechanizmy i obliczenia są dość złożone, firma Dialog Semiconductor ułatwia deweloperom ewaluację tego podejścia oraz wdrożenie go we własnych projektach. Deweloperzy mogą podłączyć zestaw rozwojowy bezprzewodowego pomiaru odległości DA14695 firmy Dialog Semiconductor (DA14695-00HQDEVKT-RANG) do portu USB swojego komputera i natychmiast rozpocząć poznawanie funkcji bezprzewodowego pomiaru odległości za pomocą przykładowego oprogramowania tej firmy.

Płytka zestawu do bezprzewodowego pomiaru odległości została stworzona w oparciu o układ SoC BLE DA14695 firmy Dialog Semiconductor i stanowi efektywną platformę do implementacji niestandardowego oprogramowania poprzez wykorzystanie przykładowego oprogramowania lub przy użyciu procedur usług zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa) w niestandardowych aplikacjach programowych.

Oprócz zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) bezprzewodowego pomiaru odległości (WiRa), firma Dialog Semiconductor udostępnia również przykładowy pakiet oprogramowania na potrzeby dystansu społecznego, który wdraża rozszerzony bezprzewodowy pomiar odległości dzięki DTE i zapewnia zestaw powiązanych procedur programowych, obejmujących zarówno fazowe metody pomiaru odległości, jak i te oparte na IFFT. Na przykład, procedura obliczeń fazowych cwd_calc_distance() pokazana na listingu 1 jest prostą implementacją pokazanego powyżej równania fazowego do pomiaru odległości.

Kopiuj
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[i] = init_phase_atom[i] + refl_phase_atom[i];
 
        if (i != 0)
        {
            /* phase difference between neighboring frequencies */
            dd_phi[i-1] = d_phi[i] - 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[i];
    }
    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));
}

Listing 1: ta procedura obliczeniowa jest prostą implementacją przedstawionego wcześniej równania pomiaru odległości na podstawie faz. (Źródło kodu: Dialog Semiconductor)

Podsumowanie

Bezprzewodowy pomiar odległości może być kluczowym czynnikiem ułatwiającym zautomatyzowane śledzenie kontaktów i może pomóc w identyfikacji ognisk chorób zakaźnych takich jak COVID-19, jednak konwencjonalne protokoły technologii Bluetooth nie zapewniają niezawodnych, dokładnych pomiarów odległości.

Aby rozwikłać ten problem, firma Dialog Semiconductor opracowała metodę programową oferującą dokładniejsze rozwiązanie przypominające radar, które może być wdrożone jako uaktualnienie oprogramowania systemów opartych na firmowych układach system-on-chip (SoC) Bluetooth Low Energy. Takie podejście poprawia dokładność przy jednoczesnym ograniczeniu kosztów i umożliwieniu szybkiego wdrożenia na obecnie aktywnych urządzeniach.

Bibliografia:

1. [Furukawa] Evidence Supporting Transmission of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 While Presymptomatic or Asymptomatic
2. [Gao] Proximity and RSSI
3. [Leith] Coronavirus Contact Tracing: Evaluating The Potential Of Using Bluetooth Received Signal Strength For Proximity Detection