English version

Now that it’s clear that corona will have lasting impact, the search is on for innovative technologies that will help us to quickly identify new outbreaks and curtail further spread of the virus. One such often-cited solution is a localisation and contact-tracing app which can be deployed on a large scale.

Here in the Netherlands, ever since the government announced its intention to launch such an app, there have been heated discussions as to the safety of proposed technologies. Rightly so! Contact tracing requires handling very sensitive data at scale. Privacy, accuracy and security issues with Bluetooth (DP3T) communication protocols are the prime focus of concern.

Yet, with Bluetooth being all-present, it is the to-go-to technology. We simply cannot afford not to use it. However, the shortcomings of this technology are clear and have been for some time already. It’s why, at imec we have been driving, not only the improvement of Bluetooth technology, but also the development of other more secure and highly precise localisation technology.

In fact, we believe that next to the further development of Bluetooth technology, innovations in other localisation technologies - such as Ultra Wide Band (UWB) radio technology and radar - are set to radically transform the way we interact with the world around us. Time to take a look at where we stand with these three technologies and in what way they are set to impact our lives.

3 localisation technologies – an update

1 - Bluetooth – building on the Internet of Things

Over the past years, we at imec have achieved much in helping make Bluetooth the game changer that it is. Our successes in making this technology low-energy, high-accuracy with secure ranging have contributed much to making Bluetooth omni-present. Security, nevertheless, could become an issue since the widespread deployment of Bluetooth technology makes it an attractive attack space. And as ever more small, low-cost devices are connected to and strengthening the Internet of Things, they are also the Achilles heel of Internet security.

Bluetooth wireless technology determines the proximity of two entities for authentication and is widely used for such innovations as contactless payment and keyless entry to your car. The biggest security threat is posed by attackers who can decrease the measured proximity by manipulating the communications between two legitimate entities, for instance your car key and your car. More accurate localisation would make this technology safer. But, for the time being, micro-localisation is beyond Bluetooth’s capabilities. Imec’s best-in-class Bluetooth distance estimation achieves a margin of error of 1 metre. Current Bluetooth technology on the market recognizes the difference between 1.5 and 2.5 metres at best.

Nevertheless, despite such safety issues, because there are so many devices with Bluetooth, this technology offers interesting possibilities if we could enable localisation not through the Internet of Things, but through the ‘network of things’. This means communication and localisation not via the cloud or Google, but only between devices.

What is needed to achieve this – and what we are working on here at imec – is a standardisation of the data language and how this is communicated between Bluetooth devices. The next step and biggest shift would be the intelligent use of the network of Bluetooth devices. The biggest benefit to be gained is that data would no longer be stored by others: making privacy a non-issue.

Within such an intelligent network - instead of apps being developed based on stored data - any information or data is only exchanged (not stored) between devices. Users can determine to which network they want access and what information they want to receive. As said, key to being able to create such an intelligent network, is the standardisation of Bluetooth data language.

2 - Ultra-wideband – highly secure and high-precision localisation

But, what happens if we were able to position or localize something with extreme accuracy (even within a millimetre)? We believe that such technology will be the holy grail for next generation devices. Advances that we’ve recently achieved in ranging accuracy using UWB technology are pointing the way for micro-localisation applications in domains ranging from secure keyless access, to gaming, healthcare, robotics, asset tracking and industry 5.0 applications.

Till now, UWB’s higher power consumption has been inhibitive. However, recent innovations achieved by our hardware and software experts means that UWB now requires 10 times less power than current solutions. Importantly also, we have achieved a localisation accuracy of less than 10 centimetres, even in the most challenging of environments, such as factory floors with many (highly reflective) machines.

Above all, it’s the combination of these innovations that make UWB so interesting: it’s safe, accurate, low-power and small. Just imagine: we are integrating an entire receiver (including three receivers for angle-of-arrival measurement) on a chip surface of less than 1mm².

And this is where we find the transformative power of this technology: localisation accuracy and the ability to build an extensive network of low-power and high-accuracy UWB chips that communicate with each other.

UWB technology is now available on the newest iPhone. Its first use case? As smart car key. The next step is expected to be the enabling of safe contactless payment at a distance. Now that UWB has been adopted by Apple, we also see industry looking into possibilities to use this technology in applications like location-based services and localisation tags.

3. Ultra-wideband and radar – the perfect match

Another interesting technology that will open up new and revolutionary ways in which we interact with our surroundings is radar. Like the ears of a bat, radar not only detects movement but can assess what the type of object is that is moving. Together with the ‘eyes’ of precision localisation capabilities of UWB, radar adds activity detection to localisation.

The applications for combining these two technologies are sheer endless. From interaction in games: is the person reacting to the game and in what way? To interaction on the factory floor: is the operator too close to the machine and what is he doing?

Game changers?

We can safely say that, the power of localisation has been undervalued. But with new levels of accuracy and the ability to, in the future, localise something within one millimetre, this technology will become truly transformative. In addition, if we achieve the standardisation of data language, next generation devices will be able to operate intelligently, communicating within a trusted network of devices. No longer being dependent on data stored in the cloud, means that such devices do away with all cloud-associated privacy issues.

In fact, besides higher levels of accuracy, standardisation is a prerequisite to be able to unleash the full potential of localisation technologies within a network of chips and devices. We cannot imagine today what changes are possible. Looking at industry, with a network of devices in place, the way operations are run in a factory will change radically. Or, similarly, commissioning of buildings, will be done based on data that is received directly through a network of devices that assess the situation as is. In this way, a lighting system becomes an intelligent system, rather than one based on a master plan of data, as is currently the case.

At a more everyday level, only the simple experience of having the door open for you when you return home with your shopping, or the sensor which lets you know that you’re running low on flour in your larder, will fundamentally change the way in which we interact with the world around us.

Who could have imagined just only over a decade ago that we would step into our car to our first-time holiday destination without a road map? GPS has changed the way we find our way in this world. Even more so, will indoor localisation and radar sensing change the way in which we do things. With a secure and intelligent circle of trust in place, the world around us will react to meet or fulfil our needs, rather than us having to act to do so.

Dutch version

Nauwkeurige en veilige lokalisatietechnologie

Hoe deze technologieën onze interactie met de omgeving veranderen.

Kathleen Philips – Director IoT bij imec Nederland

Nu blijkt dat het coronavirus een blijvende impact heeft, is de zoektocht begonnen naar innovatieve technologieën die ons helpen om snel nieuwe uitbraken en verdere verspreiding van het virus te detecteren. Een van de vaak genoemde oplossingen is een zogenaamde lokalisatie en contact-tracing app, ook wel coronavirus-app genoemd, dat grootschalig kan worden ingezet.

In Nederland is er een verhitte discussie losgebarsten zodra de Nederlandse overheid bekend maakte een corona app te gaan ontwikkelen. En terecht. Want contact tracing betekent dat er zeer gevoelige data wordt verzameld op grote schaal. De inzet van Bluetooth (DP3T) communicatie protocollen voor de ontwikkeling van een corona-app zijn een grote zorg omdat er veel problemen zijn met privacy, nauwkeurigheid en veiligheid.  

Echter met Bluetooth als alomtegenwoordige technologie, is het op dit moment de best beschikbare optie. Toch zijn de tekortkomingen van Bluetooth al een geruime tijd zichtbaar. Daarom werken wij bij imec sinds lange tijd niet alleen aan de verbetering van Bluetooth, maar ook aan de ontwikkeling van zeer nauwkeurige en veilige alternatieve lokalisatie technologieën.

Feitelijk geloven wij dat naast de verbetering van Bluetooth, ook andere lokalisatie technologieën – zoals Ultra Wide Bank (UWB) radio technologie en radar- op het punt staan om radicale veranderingen teweeg te brengen in de manier waarop wij in interactie zijn met de wereld om ons heen. Hoog tijd om de stand van zaken van deze drie lokalisatie technologieën onder de loep te nemen om zodoende te begrijpen hoe deze ons leven gaan beïnvloeden.

3 lokalisatie technologieën – een update

1 - Bluetooth – bouwend op het Internet der Dingen

In de afgelopen jaren hebben wij bij imec veel bijgedragen in het tot stand brengen van Bluetooth als de game changer die het nu is geworden. Deze successen hebben ervoor gezorgd dat Bluetooth zeer energiezuinig is en een nauwkeurig en beveiligd bereik heeft. Mede daardoor is het een alomtegenwoordige technologie geworden waar je niet omheen kunt. Juist doordat het zo veel wordt gebruikt, is veiligheid een groot probleem en kan het aantrekkelijk worden voor aanvallen: Steeds meer kleine en goedkope apparaten zijn met elkaar verbonden en vormen samen het internet der dingen. Tegelijkertijd vormt dit enorme netwerk van verbonden apparaten nu juist ook de Achilles hiel van internetveiligheid.

Bluetooth wireless technologie bepaalt op basis van de nabijheid van twee entiteiten de authenticatie en wordt overal gebruikt voor innovaties zoals contactloos betalen en keyless toegang tot auto’s. Het grootste veiligheidsrisico is dat inbrekers de afstand kunnen manipuleren tussen twee entiteiten, zoals de auto en jouw autosleutel. Betere en meer accurate lokalisatie – of te wel micro-lokalisatie - maakt deze technologie veiliger. Helaas valt op dit moment micro-lokalisatie niet binnen de capaciteit van Bluetooth. Imec’s beste Bluetooth innovaties bereikt een foutmarge van 1 meter in afstand inschatting tussen twee entiteiten. Terwijl huidig beschikbare Bluetooth technologie op de markt de hoogste haalbare marge bereikt van tussen de 1,5 en 2,5 meter.

Desalniettemin biedt Bluetooth veel mogelijkheden. Ondanks problemen met veiligheid, omdat er zoveel apparaten met Bluetooth verbonden zijn, zouden we lokalisatie kunnen bewerkstelligen door een zogenaamde ‘netwerk der dingen’ in plaats van het ‘internet der dingen’. Het netwerk der dingen betekent dat communicatie tussen apparaten niet meer via de cloud of Google gaat, maar enkel tussen apparaten zelf.

Wat hiervoor nodig is – en waar wij hard aan werken bij imec – is de standaardisatie van programmeertaal en de communicatie tussen Bluetooth apparaten. De  grootste en belangrijkste stap die hierop volgt is een slimme inzet van het netwerk van Bluetooth apparaten. Hierdoor wordt data niet opgeslagen door andere partijen, waardoor privacy niet langer een probleem vormt.

Binnen een intelligent netwerk der dingen – dus in plaats van apps die nu worden ontwikkeld op basis van opgeslagen data – wordt informatie alleen nog maar uitgewisseld tussen apparaten, in plaats van opgeslagen door een derde partij. Gebruikers kunnen bepalen tot welk netwerk zij toegang willen en welke informatie zij willen ontvangen. De sleutel om een intelligent netwerk mogelijk te maken is, zoals eerder genoemd, de standaardisatie van Bluetooth programmeertaal.

2 - Ultra-wideband – hoognauwkeurig en superveilig

Maar wat gebeurt er als we iets tot op de millimeter kunnen lokaliseren met extreme nauwkeurigheid?  Wij denken dat deze technologie de heilige graal is van een nieuwe generatie apparaten en toepassingen. Recent hebben we een zeer nauwkeurig bereik behaald met UWB technologie. Dit biedt mogelijkheden voor applicaties waarbij micro-lokalisatie van groot belang is, zoals keyless toegang, gaming, gezondheidszorg, robotica, ‘asset tracking’ en industrie 5.0 toepassingen. Tot nu toe is UWB allesbehalve energiezuinig. Echter hebben recente innovaties door onze hardware en software deskundigen bewezen dat UWB tien keer minder voeding nodig heeft dan huidige oplossingen. Naast dat we UWB energiezuinig kunnen maken is het ook mogelijk om een nauwkeurigheid van minder dan 10 centimeter te kunnen behalen, zelfs in de meest uitdagende omgevingen, zoals fabrieken waar veel (reflecterende) machines staan.

Dit tezamen maakt UWB zo’n interessante technologie: het is in potentie veilig, nauwkeurig, energiezuinig en klein. Stel je eens voor dat we een gehele ontvanger (inclusief drie ontvangers for ‘angle-of-arrival’ metingen) op een kleine chip met een oppervlakte van minder dan 1mm² kunnen integreren?  

Hier vinden de transformerende kracht van UBW technologie: nauwkeurige lokalisatie en de mogelijkheid tot het bouwen van een extensief veilig netwerk van energiezuinige en hoog nauwkeurige UWB chips die met elkaar communiceren.

UWB is nu al beschikbaar op de nieuwste iPhone. De eerste toepassing? Een slimme autosleutel. Verwacht wordt dat dit wordt uitbreidt naar veilig contactloos betalen op een afstand. Nu dat UWB dus al wordt toegepast door Apple, zal snel de industrie volgen om mogelijke toepassingen te ontwikkelen voor op lokalisatie gebaseerde diensten en lokalisatie tags.

3. Ultra-wideband en radar – het perfecte huwelijk

Een andere interessante technologie dat nieuwe en revolutionaire mogelijkheden biedt is radar. Net als het gehoor van een vleesmuis kan radar niet alleen beweging detecteren maar ook inschatten welk type object in beweging is. Samen met ‘de ogen’ van UWB, die precies zien waar iets zich bevindt, voegt radar een extra zintuig toe aan het detecteren van activiteit en lokalisatie.

De applicaties waarbij de combinatie van deze twee technologieën samenkomt zijn eindeloos. Denk aan de interactie met games: reageert de persoon op het spel en op wat voor manier? Naar interactie in de fabriek: is de operator te dichtbij de machine en wat gebeurt er?

Gamechangers?

We kunnen stellen dat de kracht van lokalisatie wordt ondergewaardeerd. Maar met verbeterde nauwkeurigheid en de mogelijkheid om in de toekomst iets te kunnen lokaliseren binnen een enkele millimeter, kan deze technologie werkelijke transformatief zijn. Ook is het zo dat met de standaardisatie van Bluetooth programmeertaal, nieuwe generaties apparaten in een intelligent netwerk met elkaar op een veilige manier communiceren. Wanneer we niet langer meer afhankelijk zijn van dataopslag in de cloud, hebben we ook het probleem van privacy voor een groot deel opgelost.

Naast het bereiken van hogere niveaus van nauwkeurigheid en veiligheid, is standaardisatie een voorwaarde om het volledige potentieel van lokalisatie technologieën binnen een netwerk van chips en apparatuur verder te ontwikkelen. De mogelijkheden zijn daarbij eindeloos. In een industriële context, waar een netwerk van apparatuur en machines samen werken, zullen grote veranderingen plaatsvinden. Of denk aan gebouwen, zoals de installaties en gebouwbeheer, zullen aanzienlijk verbeteren als er beslissingen worden genomen op basis van data dat direct vanuit een netwerk van apparaten wordt gegenereerd. Op deze manier zou een lichtsysteem in het gebouw intelligent afstemmen op de gebruiker, in plaats van te functioneren via een vooraf vastgestelde inrichting, zoals dat nu wordt gedaan.

Op een meer alledaags niveau is het simpelweg een deur dat automatisch voor jou open gaat als je met zware boodschappen naar binnen wilt, of een sensor dat je laat weten dat de voorraad meel bijna op is. Het alledaagse leven en de manier waarop wij omgaan met de wereld om ons heen zal daarmee ingrijpend veranderen.

Wie kon zich tien jaar geleden voorstellen dat we in de auto stappen onderweg naar een nieuwe vakantiebestemming zonder een papieren wegenkaart? GPS heeft de manier waarop we bewegen in de wereld veranderd. Op dezelfde manier zal lokalisatietechnologie en radar veranderen hoe wij leven. Maar met een veilig en vertrouwd netwerk om ons heen, kunnen we ervoor zorgen dat de omgeving onze behoeftes beantwoordt, in plaats van dat wij reageren op wat de omgeving van ons wil.