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無線測(cè)距可以在自動(dòng)追蹤密切接觸者時(shí)起到關(guān)鍵作用，該技術(shù)能夠幫助識(shí)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(lán)牙低能量（BLE）的傳統(tǒng)測(cè)距方法在理論上可以提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但射頻（RF）信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)際限制會(huì)影響這種準(zhǔn)確性。隨著對(duì)幫助遏制COVID-19傳播的更有效方法的需求增長(zhǎng)，開發(fā)商正在尋找傳統(tǒng)方法的替代品，以提供最大的準(zhǔn)確性，同時(shí)仍然平衡成本和易于部署。 為了滿足這些需求，Dialog半導(dǎo)體公司已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)軟件解決方案，利用目前可用和部署的BLE技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施。一旦作為公司BLE系統(tǒng)芯片（SoC）設(shè)備的軟件升級(jí)實(shí)施，該解決方案可以實(shí)現(xiàn)更精確的、類似雷達(dá)的無線測(cè)距。 這篇文章介紹了聯(lián)系人追蹤的工作原理。然后介紹了Dialog半導(dǎo)體公司的藍(lán)牙設(shè)備和配套軟件，它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)合同追蹤和其他接近檢測(cè)應(yīng)用所需的精確無線測(cè)距提供了更精確的解決方案。 為什么接觸者追蹤對(duì)于遏制COVID-19至關(guān)重要？ 限制傳染病的傳播是流行病學(xué)的基石，在管理面臨像嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)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(guān)鍵，該病毒引起COVID-19疾病。減少疫情爆發(fā)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(jiǎn)單：識(shí)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(shí)踐中，接觸者追蹤的工作流程是相當(dāng)復(fù)雜的，通常要依靠大量的個(gè)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(xù)感染風(fēng)險(xiǎn)的人（圖1）。當(dāng)這些被通知的人進(jìn)一步限制他們與其他人的接觸時(shí)，病毒的傳播鏈就會(huì)中斷。 
圖1：美國(guó)疾病控制和預(yù)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(chǔ)上，通知那些可能需要在建議的14天內(nèi)對(duì)推定的COVID-19感染者進(jìn)行自我隔離的個(gè)人。(圖片來源：CDC) 對(duì)于COVID-19來說，需要快速識(shí)別和通知可能的感染，這一點(diǎn)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(shí)上，關(guān)于COVID-19的基本醫(yī)學(xué)相關(guān)事實(shí)只是在最近才被開發(fā)出來。例如，在SARS-CoV-2病毒被確認(rèn)的幾個(gè)月后，流行病學(xué)家證實(shí)，尚未出現(xiàn)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(duì)于減緩COVID-19大流行病的傳播變得非常重要。使用標(biāo)準(zhǔn)的流行病學(xué)建模方法，CDCCOVIDTracer電子表格工具展示了早期接觸者追蹤對(duì)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(gè)模型說明了在10萬人口中，使用不同的策略可以使一年內(nèi)發(fā)現(xiàn)的新病例的曲線變平。紅色虛線表示每個(gè)接觸追蹤策略的開始。(圖片來源：CDC) 如圖2所示，疫情的發(fā)展過程會(huì)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(gè)人已經(jīng)出現(xiàn)COVID-19的癥狀后，才開始對(duì)其進(jìn)行接觸追蹤（在這個(gè)模型中，根據(jù)研究報(bào)告，在感染后7天）。 · 策略2：當(dāng)受感染者首次出現(xiàn)癥狀時(shí)（感染后6天），立即開始追蹤接觸者。 · 策略3：當(dāng)COVID-19檢測(cè)發(fā)現(xiàn)一個(gè)感染者，但在該人出現(xiàn)癥狀之前（感染后4天，根據(jù)研究，此時(shí)無癥狀傳播成為可能），立即開始追蹤接觸者。 即使在個(gè)人成為傳染病后立即開始追蹤接觸者（策略3），進(jìn)行接觸者追蹤所需的個(gè)案工作者數(shù)量也會(huì)迅速增長(zhǎng)。疾病預(yù)防控制中心的模型說明了每個(gè)感染個(gè)體病例平均5次接觸（圖3中的 "低"）和每個(gè)病例平均20次接觸（圖3中的 "高"）所需的人員增長(zhǎng)。
圖3：CDC模型顯示，假設(shè)每個(gè)案件平均有5個(gè)聯(lián)系人（"低"）或20個(gè)聯(lián)系人（"高"），使用不同的策略可以降低進(jìn)行接觸者追蹤所需的個(gè)案工作人員數(shù)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(shù)解決方案，以識(shí)別和聯(lián)系可能與受感染者接近的個(gè)人。與其要求受感染的個(gè)人記住聯(lián)系人，并要求個(gè)案工作者追查這些聯(lián)系人，適當(dāng)?shù)募夹g(shù)解決方案可以自動(dòng)記錄與可能使用相同技術(shù)的其他人接近的情況。事實(shí)上，這種方法可以提供第四種策略，能夠?qū)υ诘?天遇到的個(gè)人進(jìn)行追溯性的接觸追蹤，而醫(yī)學(xué)研究表明，受感染的個(gè)人本身會(huì)從其他一些有傳染性的個(gè)人身上感染疾病。如上圖所示，提前通知聯(lián)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(jī)和其他個(gè)人移動(dòng)電子設(shè)備上的廣泛使用，藍(lán)牙立即成為自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的首選技術(shù)。它迅速成為制造商、醫(yī)療團(tuán)體和政府組織的一些合作努力所開發(fā)的移動(dòng)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)。然而，在對(duì)這些應(yīng)用程序的有效性的研究中，藍(lán)牙的局限性導(dǎo)致了令人失望的結(jié)果。 為什么用藍(lán)牙自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的做法令人失望 原則上，藍(lán)牙技術(shù)似乎是自動(dòng)追蹤聯(lián)系人的理想解決方案。它的普遍性確保了作為交付平臺(tái)的廣泛可用性，其能力似乎滿足了移動(dòng)應(yīng)用程序的基本要求，旨在記錄與其他使用相同技術(shù)的個(gè)人的近距離接觸的情況。 記錄聯(lián)系人實(shí)例至少需要兩個(gè)信息：與聯(lián)系人的距離和一些與聯(lián)系人相關(guān)的全球唯一ID。通常實(shí)現(xiàn)為一個(gè)經(jīng)常變化的隨機(jī)值，這個(gè)獨(dú)特的ID被高級(jí)應(yīng)用軟件用來通知聯(lián)系人，同時(shí)保持隱私，使用不同的方法超出本文的范圍。 藍(lán)牙廣告協(xié)議提供了一個(gè)滿足這些基本要求的現(xiàn)有機(jī)制。作為藍(lán)牙協(xié)議棧的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能，廣告協(xié)議允許設(shè)備以最小的功率消耗周期性地傳輸一個(gè)小的有效載荷，如唯一的ID。接收廣告協(xié)議包的設(shè)備也會(huì)接收到接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）值，大多數(shù)無線射頻子系統(tǒng)提供的是信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)測(cè)量，范圍在0到100之間，或由設(shè)備制造商定義的其他上限。 從理論上講，隨著發(fā)射器和接收設(shè)備之間的距離增加，接收器的無線電強(qiáng)度與距離的平方成正比下降。因此，相關(guān)的RSSI值將平滑地單調(diào)地減少。 在實(shí)踐中，RSSI和距離之間的關(guān)系可以有很大的變化，正如多年前監(jiān)督藍(lán)牙發(fā)展的組織--藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）所指出的那樣[Gao]2。信號(hào)反射、阻擋和干擾會(huì)大大改變信號(hào)強(qiáng)度。因此，RSSI和距離之間的關(guān)系可以從一個(gè)樣本到另一個(gè)樣本而變化，即使發(fā)射器和接收器保持靜止。在最近的一項(xiàng)關(guān)于藍(lán)牙RSSI對(duì)聯(lián)絡(luò)人追蹤的有效性的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)RSSI可以上升或下降，而發(fā)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(jī)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(hào)被周圍結(jié)構(gòu)反射、阻擋或吸收的方式[Leith]3。 開發(fā)人員采用了不同的策略，試圖平滑RSSI的變異性。除了簡(jiǎn)單地對(duì)多個(gè)RSSI測(cè)量值進(jìn)行平均，試圖利用RSSI提高距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，已經(jīng)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(shù)，如超寬帶（UWB），但與藍(lán)牙不同，這些技術(shù)缺乏實(shí)現(xiàn)立即廣泛使用自動(dòng)接觸者追蹤應(yīng)用程序以幫助管理COVID-19疫情所需的普遍安裝基礎(chǔ)。 相比之下，Dialog半導(dǎo)體公司提供了一種軟件解決方案，旨在輕松升級(jí)其藍(lán)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(cè)距。 升級(jí)藍(lán)牙片上系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)精確的接觸追蹤 Dialog半導(dǎo)體公司的無線測(cè)距（WiRa）軟件開發(fā)工具包（SDK）與其DA1469x系列BLE SoC器件配合使用，以解決現(xiàn)有藍(lán)牙技術(shù)的精確測(cè)距需求。Dialog Semiconductor的BLE SoC旨在滿足各種移動(dòng)產(chǎn)品的要求，它集成了Arm®Cortex®-M33和一個(gè)完整的藍(lán)牙5無線電子系統(tǒng)，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(shè)（圖4）。
圖4：Dialog Semiconductor DA1469x系列BLE SoC結(jié)合了一個(gè)Arm Cortex-M33主處理器、一個(gè)帶有自己的Arm Cortex-M0+的專用藍(lán)牙5無線電系統(tǒng)以及典型無線移動(dòng)產(chǎn)品所需的一套全面外設(shè)。（圖片來源：Dialog Semiconductor） 與任何藍(lán)牙兼容平臺(tái)一樣，Dialog半導(dǎo)體公司的DA1469x系列支持標(biāo)準(zhǔn)的廣告模式，其基礎(chǔ)是用于在零售場(chǎng)所提供特定位置的信息的信標(biāo)技術(shù)。然而，使用WiRa SDK，開發(fā)者可以部署一個(gè)類似雷達(dá)的協(xié)議，能夠達(dá)到傳統(tǒng)藍(lán)牙RSSI無法達(dá)到的測(cè)距精度水平。最重要的是，這種新增能力可以部署在現(xiàn)有的基于DA1469x的設(shè)備上。 在這種增強(qiáng)的無線測(cè)距方法中，藍(lán)牙設(shè)備執(zhí)行對(duì)話音交換（DTE）協(xié)議（圖5）。
圖5：Dialog Semiconductor WiRa SDK通過在兩個(gè)連接的設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)DTE數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)類似于雷達(dá)的無線測(cè)距，其中一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙中心角色，另一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙外設(shè)角色。（圖片來源：Dialog Semiconductor） 在該協(xié)議中，藍(lán)牙設(shè)備使用傳統(tǒng)的BLE中心和外圍角色成對(duì)連接。中央設(shè)備發(fā)出DTE啟動(dòng)請(qǐng)求，使兩個(gè)設(shè)備同步，然后在BLE空閑期間，在指定的時(shí)間和預(yù)先定義的頻率集上發(fā)送DTE音。反過來，每個(gè)設(shè)備的無線電子系統(tǒng)對(duì)收到的音爆進(jìn)行高分辨率采樣，并提供同相和正交（IQ）信號(hào)輸出。使用IQ樣本，每個(gè)設(shè)備為每個(gè)突發(fā)頻率（稱為 "原子"）計(jì)算相位，產(chǎn)生一個(gè)該設(shè)備特有的頻率曲線。 在與其對(duì)應(yīng)的設(shè)備交換其特定的頻率配置文件后，每個(gè)設(shè)備都使用這些數(shù)據(jù)，使用WiRa SDK支持的兩種方法之一來計(jì)算距離。在反快速傅里葉變換（IFFT）方法中，IFFT計(jì)算將頻率曲線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域，并將與脈沖響應(yīng)峰值相關(guān)的時(shí)間延遲映射為距離測(cè)量。 在基于相位的方法中，計(jì)算使用兩個(gè)裝置的每個(gè)原子的相位數(shù)據(jù)來尋找相位差異。利用這些結(jié)果，根據(jù)公式1，計(jì)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(shù)量 雖然底層機(jī)制和計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，但Dialog半導(dǎo)體公司使開發(fā)人員能夠簡(jiǎn)單地評(píng)估這種方法并在他們自己的設(shè)計(jì)中實(shí)施。開發(fā)人員可以將Dialog半導(dǎo)體公司的DA14695無線測(cè)距開發(fā)套件（DA14695-00HQDEVKT-RANG）插入他們的個(gè)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(cè)距功能。 基于Dialog SemiconductorDA14695BLE SoC，該無線測(cè)距套件的電路板可作為一個(gè)有效的平臺(tái)，通過在樣本軟件的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定制軟件，或在定制軟件應(yīng)用中使用WiRa SDK無線測(cè)距服務(wù)程序。 除了其WiRa SDK，Dialog半導(dǎo)體公司還提供了一個(gè)樣本社會(huì)測(cè)距軟件包，用DTE實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型無線測(cè)距，并提供了一套相關(guān)的軟件程序，包括基于IFFT和基于相位的距離測(cè)量方法。例如，清單1中所示的基于相位的計(jì)算例程cwd_calc_distance()是對(duì)上述基于相位的距離測(cè)量方程的直接實(shí)現(xiàn)。 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(gè)計(jì)算程序是對(duì)上述基于相位的距離測(cè)量方程式的直接實(shí)現(xiàn)。（代碼來源：Dialog Semiconductor） 結(jié)語 無線測(cè)距可以為自動(dòng)追蹤接觸者提供重要的推動(dòng)力，以幫助識(shí)別COVID-19等傳染病的爆發(fā)，但傳統(tǒng)的藍(lán)牙協(xié)議未能可靠地提供所需的精確距離測(cè)量。 為了解決這個(gè)問題，Dialog半導(dǎo)體公司的一個(gè)軟件解決方案提供了一個(gè)更準(zhǔn)確的、類似雷達(dá)的無線測(cè)距解決方案，可以作為一個(gè)軟件升級(jí)來實(shí)現(xiàn)基于該公司藍(lán)牙低能量系統(tǒng)芯片的系統(tǒng)。這種方法提高了準(zhǔn)確性，同時(shí)控制了成本，并能在目前活躍的設(shè)備上快速部署。 來源：Digi-Key 作者：Stephen Evanczuk |
