原标题：为接触者追踪构建更精确的无线测距解决方案

　　无线测距可以为自动接触者追踪提供关键的推动作用，以帮助识别和分析 COVID-19 等可通过密切接触传播的传染病爆发。使用低功耗蓝牙 (BLE) 的传统测距方法，理论上可以提供准确的数据，但射频 (RF) 信号传输存在实际的局限性，因而可能会影响这种准确性。随着越来越需要更有效的方法来帮助遏制 COVID-19 的扩散，开发人员正在寻找传统方法的替代方案，以提供最大的准确性，同时兼顾成本和部署的便利性。

　　为了满足这些需求，Dialog Semiconductor 开发了一种软件解决方案，该方案利用了现有和已部署的 BLE 技术及基础设施。该解决方案作为软件升级实施到该公司的 BLE 片上系统 (SoC) 设备后，可实现更精确、类似雷达的无线测距。

　　本文将说明接触者追踪的工作原理。然后介绍 Dialog Semiconductor 的蓝牙设备和配套软件，这些产品提供了一种更精确的解决方案，能实现接触者追踪和其他接近检测应用所需的精确无线测距。

　　为什么接触者追踪对控制 COVID-19 至关重要

　　限制传染病的传播是流行病学的基石，并且对于管理面对新病毒的人群的健康尤其重要，例如导致 COVID-19 疾病的严重急性呼吸综合征冠状病毒 2 型 [SARS-CoV-2]。减少疫情的最有效工具之一是使用接触者追踪法。

　　接触者追踪在理论上听起来很简单：确定并通知最近接触传染者并且自己可能被感染的人。在实践中，接触者追踪工作流程相当复杂，通常需要依靠大量的个案工作者与感染者进行面谈，并通知和协助可能有后续感染风险的人(图 1)。当这些收到通知的人进一步限制与他人的接触时，病毒的传播链就会中断。

　　图 1：美国疾病控制与预防中心 (CDC) 建议采用的接触者追踪工作流程：以感染者提供的接触者名单为基础，通知可能需要根据假定 COVID-19 感染的建议自我隔离 14 天的个人。(图片来源：CDC)

　　对于 COVID-19 来说，快速识别和通知可能的感染尤为重要，研究人员仍在努力全面了解其传播和感染模式。实际上，有关 COVID-19 的基本医学相关事实最近才被揭开。例如，在 SARS-CoV-2 病毒被发现几个月后，流行病学家证实，尚未出现 COVID-19 症状的感染者也有可能传播病毒 [Furukawa]1。

　　在认识到这种无症状传播的可能性后，早期接触者追踪对于减缓 COVID-19 疫情的扩散就变得至关重要。CDC 的 COVIDTracer 电子表格工具使用标准的流行病学建模方法，在具有代表性的 10 万人群中演示了早期接触者追踪对每日病例的影响(图 2)。

　　图 2：CDC 模型显示了使用不同的策略如何能使 10 万人群中一年内新发病例的曲线变平缓。红色虚线表示每种接触者追踪策略的开始。(图片来源：CDC)

　　如图 2 所示，根据对三种不同接触者追踪策略的选择，疫情的发展过程可能有很大的差异：

　　策略 1：只有在个体已经出现 COVID-19 症状后(在本模型中，根据研究为感染后 7 天)，才开始针对该个体进行接触者追踪。

　　策略 2：当感染者首次表现出症状时(感染后 6 天)，立即开始接触者追踪。

　　策略 3：当 COVID-19 检测发现尚未出现症状的感染者(根据研究为感染后 4 天，此时可能发生无症状传播)时，立即开始接触者追踪。

　　即使在接触者变得具有传染性就立刻开始追踪(策略 3)，执行接触者追踪所需的个案工作者人数也会迅速增加。CDC 模型说明了每个感染病例平均 5 名接触者(图 3 中的“下限”)和每个病例平均 20 名接触者(图 3 中的“上限”)所需的人员增长。

　　图 3：CDC 模型显示如何使用不同策略减少执行接触者追踪所需个案工作者的人数，假设每个感染病例平均 5 名接触者(“下限”)或每个感染病例平均 20 名接触者(“上限”)。(图片来源：CDC)

　　对尽早追踪接触者和充足工作人员人数的双重要求，促使人们努力寻找技术解决方案，来识别和联系可能密切接触感染者的个体。适当的技术解决方案可以自动记录与其他可能使用相同技术者的密切接触情况，而不要求感染者记住接触者，也不要求个案工作者追查这些接触者。实际上，这种方法可以提供第四种策略，即在医学研究表明感染者自身已从其他感染者处感染了疾病时，能够追溯性地启动对第 0 天所遇到的接触者进行追踪。如上图所示，较早通知接触者可大幅拉平每日病例和所需工作人员的曲线。

　　由于智能手机和其他个人移动电子设备普遍提供蓝牙功能，蓝牙立即成为用于自动接触者追踪的首选技术。它迅速成为由制造商、医学团体和政府组织合作开发的移动 APP 的基础。然而，在对这些 APP 进行的有效性研究中，蓝牙的局限性导致了令人失望的结果。

　　为什么使用蓝牙的自动接触者追踪令人失望

　　从原理上讲，蓝牙技术似乎是自动接触者追踪的理想解决方案。它的普遍性确保了作为一个信息传送平台的广泛可用性，并且功能似乎满足了移动 APP 的基本要求，可用于记录与使用相同技术的其他人的近距离接触实例。

　　记录接触实例至少需要两条信息：与接触者的距离，以及与接触者相关联的全局唯一 ID。这个唯一的 ID 通常作为一个频繁变化的随机值来实现，高级应用软件用其来通知接触者，同时维护隐私，采用的各种不同方法超出本文的讨论范围。

　　蓝牙广告协议提供了一个现成的机制来满足这些基本要求。作为蓝牙协议栈的一个标准功能，广告协议允许设备以最小的功耗周期性地传输小的有效载荷，如唯一 ID。此外，接收广告协议数据包的设备也会收到接收信号强度指示器 (RSSI) 值，这是大多数无线的无线电子系统提供的相对信号强度测量值(范围为 0 到 100)，或由设备制造商定义的其他某种上限。

　　理论上，随着发射器与接收设备之间距离的增加，接收器处的无线电强度与距离的平方成正比地减小。相应地，关联的 RSSI 值也会平稳、单调地下降。

　　在实践中，正如几年前负责监督蓝牙发展的蓝牙技术联盟 (SIG) 所指出，RSSI 与距离之间的关系可能会存在很大差异 [Gao]2。信号反射、阻挡和干扰会显著改变信号强度。因此，即使发射器和接收器保持位置不变，RSSI 与距离之间的关系也可能会因样本而异。在最近一项关于蓝牙 RSSI 用于接触者追踪的有效性研究中，研究人员发现 RSSI 可能会在发射器与接收器之间的物理距离不变的情况下上升或下降，这取决于用户对智能手机的握持方式或用户身体对手机的遮挡方式，或者无线电信号被周围结构反射、阻挡或吸收的方式 [Leith]3。

　　开发人员使用了不同的策略，试图让 RSSI 的变化变得平滑。除了简单地计算多个 RSSI 测量值的平均值外，还采用了不同的滤波方法来试图改善利用 RSSI 进行距离测量的精度，但成效有限。其他接触者追踪提案建议使用超宽带 (UWB) 等其他无线电技术，但与蓝牙不同的是，这些技术缺乏所需的普遍安装基数，无法做到立即广泛使用自动接触者追踪 APP 来帮助控制 COVID-19 的爆发。

　　相比之下，Dialog Semiconductor 提供了一种软件解决方案，旨在轻松升级其蓝牙硬件解决方案，以提供有效接触者追踪所需的精确无线测距。

　　升级蓝牙片上系统以实现精确的接触者追踪

　　Dialog Semiconductor 的无线测距 (WiRa) 软件开发工具包 (SDK) 与其 DA1469x 系列 BLE SoC 器件配合使用，以通过现有蓝牙技术满足精确测距需求。Dialog Semiconductor 的 BLE SoC 专用于满足各种移动产品的要求，集成了 Arm® Cortex®-M33、完整的蓝牙 5 无线电子系统(自身集成了基于 Arm Cortex-M0+ 的控制器)，以及一套完整的集成外设(图 4)。

　　图 4：Dialog Semiconductor 的 DA1469x 系列 BLE SoC 集成了 Arm Cortex-M33 主机处理器、专用蓝牙 5 无线电系统(自带 Arm Cortex-M0+)，以及典型无线移动产品所需的整套外设。(图片来源：Dialog Semiconductor)

　　与任何兼容蓝牙的平台一样，Dialog Semiconductor 的 DA1469x 系列支持标准广告模式，而这些模式的基础是用于在零售业中传递特定位置信息的信标技术。不过，使用 WiRa SDK，开发人员可以部署类似于雷达的协议，能够达到单独使用传统蓝牙 RSSI 所无法达到的测距精度水平。最重要的是，这项新增功能可以部署在基于 DA1469x 的现有设备上。

　　在这种增强的无线测距方法中，蓝牙设备执行 Dialog Tone Exchange (DTE) 协议(图 5)。

　　图 5：Dialog Semiconductor 的 WiRa SDK 通过在两个连接的设备之间执行 DTE 数据交换来实现类似于雷达的无线测距，其中一个设备充当标准蓝牙中心角色，另一个设备为标准蓝牙外设角色。(图片来源：Dialog Semiconductor)

　　在该协议中，蓝牙设备使用传统的 BLE 中心和外设角色配对连接。中心设备发出 DTE 启动请求，使两个设备同步，然后在 BLE 空闲期间以一组预定义的频率在指定的持续时间内发送 DTE 音调。接下来，每个设备的无线电子系统对接收到的音调信号进行高分辨率采样，并提供同相和正交 (IQ) 信号输出。使用 IQ 样本，每个设备计算每个信号频率的相位(称为“原子”)，产生特定于该设备的频率分布。

　　在与对应设备交换其特定频率分布后，每个设备会使用该数据以及 WiRa SDK 支持的两种方法之一来计算距离。在逆向快速傅里叶变换 (IFFT) 方法中，IFFT 计算将频率分布数据变换到时域，并将与峰值脉冲响应关联的时间延迟映射到测距中。

　　在基于相位的方法中，计算使用两个设备的每个原子的相位数据来找到相位差。使用这些结果，计算根据公式 1 将平均相位差映射到以米 (m) 为单位的距离 (D)：

　　公式 1

　　其中：

　　= 光速，以每秒米数 (m/s) 为单位

　　∆ = 相位差，以弧度为单位

　　∆ = 频率差，以赫兹 (Hz) 为单位

　　= 原子数

　　虽然底层的机制和计算相当复杂，但 Dialog Semiconductor 让开发人员可以轻松评估这种方法，并在自己的设计中进行实施。开发人员可以将 Dialog Semiconductor 的 DA14695 无线测距开发工具包 (DA14695-00HQDEVKT-RANG) 插入个人计算机的 USB 端口，然后立即开始使用该公司的示例软件探索无线测距功能。

　　该无线测距套件的开发板基于 Dialog Semiconductor 的 DA14695 BLE SoC，可用作一个有效的平台，通过构建示例软件来实现定制软件，或在定制软件应用程序中使用 WiRa SDK 无线测距服务例程。

　　除了 WiRa SDK 之外，Dialog Semiconductor 还提供了一个保持社交距离软件包样例，该软件包利用 DTE 实现了增强型无线测距，并提供一组相关联的软件例程，包括基于 IFFT 和基于相位的距离测量方法。例如，清单 1 中所示基于相位的计算例程 cwd_calc_distance() 就是上述基于相位的距离测量公式的简单实现。

　　复制

　　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));

　　}

　　清单 1：此计算例程是上述基于相位的距离测量公式的简单实现。(代码来源: Dialog Semiconductor)

　　总结

　　无线测距对于自动接触者追踪起到关键性的推动作用，可帮助识别 COVID-19 等传染病的爆发，但传统的蓝牙协议无法可靠地提供所需的精确测距。

　　为了解决这个问题，Dialog Semiconductor 提供了一种更精确的、类似于雷达的无线测距软件解决方案，该解决方案可以作为软件升级实施到基于该公司蓝牙低功耗片上系统设备的系统上。这种方法提高了精确度，同时控制了成本，并能够在现有设备上快速部署。