LoRa-Lokalisierung

Bei Link Labs hören wir ein zunehmendes Interesse an einer „nativen“ Geolokalisierung mit LoRa. Dies würde bedeuten, dass 3 oder mehr Gateways verwendet werden, um eine Zeitdifferenz der Ankunft (TDOA) für das empfangene LoRa-Signal zu berechnen und die Position zu berechnen. Klingt einfach, oder?

Aktualisierung: Semtech hat jetzt angekündigt, dass diese Fähigkeit "jetzt verfügbar" ist, was sich als sehr interessant erweisen sollte. Siehe diese Pressemitteilung.

Update #2: Laut diesem von Semtech veröffentlichten Lokalisierungsbericht beträgt die Fehlerrate von 10 % für ein einzelnes Paket mit 11 Gateways in einer städtischen Umgebung sind es etwas mehr als 500 Meter. Um einen Kreis zu zeichnen, liegt Ihr Standort innerhalb von 90% der Zeit, er hätte einen Durchmesser von etwas mehr als 1 km. Lesen Sie weiter, um zu verstehen, warum.

Dies ist eines der am schwierigsten zu lösenden Probleme im Radio, und bei Link Labs haben wir umfangreiche Erfahrung im Aufbau von Lokalisierungssystemen auf Zeitdomänenbasis. Obwohl wir wissen, dass Menschen und Unternehmen von der Aussicht auf eine native LoRa-Lokalisierung begeistert sind, führt uns unsere professionelle Expertise zu dem Schluss, dass eine genaue Lokalisierung mit LoRa (oder einer beliebigen Niedrigenergie-, Schmalband-, RF-Technologie - Sigfox usw.) äußerst schwierig ist oder unmöglich erfolgreich zu einem nutzbaren zu entwickeln Ansatz.

Dieser Artikel wird versuchen, hoch zu bleiben Level - bitte sehen Sie sich unsere Leseliste unten an, wenn Sie mehr in die technischen Details eintauchen möchten.

1. Direktpfad-Energie

Wenn Sie den Abstand zwischen zwei Punkten messen möchten, ist es ziemlich einfach, den direkten Weg zu messen, nicht einen mäandernden. Eine der besten Eigenschaften von LoRa ist, dass es in einem Mehrwegekanal so gut funktioniert, dass Sie das Signal problemlos empfangen können, nachdem es durch zwei Wände gegangen, den Flur hinunter und den Aufzugsschacht hinaufgeprallt ist. Wir haben einen Kunden, der ein LoRa-Gateway im 4. Stock verwendet, das mit einem Symphony Link-Modul im 44. Stock desselben Gebäudes kommuniziert. Das Signal durchdringt keine 40-Zoll-Betonplatten. Es geht direkt aus dem Fenster, prallt vom Gebäude auf der anderen Straßenseite ab und geht wieder hinein. Die Länge dieses Pfades ist wahrscheinlich mindestens das Doppelte der direkten Pfadlänge.

Die Fähigkeit, den direkten Pfad (im Vergleich zu einem Mehrpfadsignal) zu erkennen, ist eine Funktion von (TIME on AIR) x BANDWIDTH x POWER. Das LoRa-Signal hat eine anständige Bandbreite und Sendezeit, aber die Signale haben aufgrund ihrer Anwendungsfälle und Vorschriften eine geringe Leistung.

Fazit:Ohne nahezu direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger reicht die Kanalenergie nicht aus, um den direkten Weg zu erkennen, was noch dadurch erschwert wird, dass das „Korrelationsrauschen“ (schwächste Zeit- basierendes Signal, das nachweisbar ist) wird durch das begrenzte Zeit-Bandbreiten-Produkt erhöht.

2. Multipath-Korrelationsauflösung

Dies ist das größere Problem für LoRa, aber es ist mathematisch kompliziert. Lesen Sie den folgenden Satz dreimal, bis er wirklich einprägt:

Sag es noch einmal (x2)…

Lassen Sie mich Ihnen ein menschliches Beispiel geben…. Haben Sie schon einmal einen lauten und nervigen Ton gehört, wie einen Wecker? Ich spreche von einem Ton, der auf einer einzigen Frequenz liegt, wie eine hohe Musiknote. War es schwer herauszufinden, woher es kam? Das liegt daran, dass Ihr Gehirn bei der Bestimmung des Ankunftszeitunterschieds zwischen Ihren beiden Ohren äußerst anspruchsvoll ist. So wissen Sie, aus welcher Richtung ein Ton kommt. Bei diesem Alarmton hatten Sie keine Ahnung, da das Signal nicht genügend Bandbreite für Ihre Ohren hatte, um eine TDOA-Bestimmung durchzuführen. Dies ist ein großer Schwerpunkt in der Sirenen- und LKW-Rückfahralarmbranche, da Breitbandsummer und -alarme eingeführt werden. Wenn Sie beobachten, wie jemand ein solches Geräusch hört, wackelt er mit dem Kopf hin und her, um die „Backup“-Lokalisierungstechnik unseres Gehirns zu nutzen, indem er unsere Ohrform verwendet, um die Richtung des stärksten Signals (dh den Ankunftswinkel) zu finden.

Ein Standard-LoRa-Signal hat eine Bandbreite von 125 kHz. Die Beziehung, die die Fähigkeit eines Empfängers bestimmt, ein Signal mit Mehrwegekomponenten zu empfangen und den Unterschied zwischen zwei verschiedenen Weglängen zu erkennen, ist c/B. (Lichtgeschwindigkeit / Bandbreite).

c / 125 kHz =2398 m

Also…..Wenn eine LoRa-Basisstation ein Signal empfängt, das eine direkte Pfadkomponente (könnte schwierig sein, siehe Nr. 1) und mehrere Mehrpfadsignale hat, ist es UNMÖGLICH, den Unterschied zu bestimmen, es sei denn, diese Pfade haben einen Unterschied von mehr als 2,4 km . Das Direktwegsignal wird daher durch das Vorhandensein von jeglichem und allen Mehrwegesignalen „lang gezogen“.

In dieser Abbildung sehen Sie eine vereinfachte Reichweitenberechnung basierend auf 2 Pfaden, einem direkten und einem reflektierten. Da der Unterschied zwischen den Längen von Pfad 1 und Pfad 2 weniger als 2,4 km beträgt, kann die Korrelation sie bei der Korrelation für ein 125-kHz-Signal nicht getrennt auflösen und gruppiert sie daher zusammen. Dies führt dazu, dass Fehler in die Bereichsberechnung einfließen.

Wenn Sie dieses Beispiel wiederholen, aber ein Signal mit 10 MHz Bandbreite verwenden, können Sie jetzt Wegunterschiede von mehr als 30 m auflösen. (c/10Mhz =30m). Angenommen, 1 und 2 haben einen Längenunterschied von mehr als 30 m, kann die Korrelationsfunktion die Pfade jetzt als diskret erkennen, und daher ist die berechnete Entfernung sehr nahe an der wahren Entfernung.

Fazit:Um die Funkreichweite zu messen, benötigen Sie im direkten Weg genug Energie, um sie zu erkennen, und Sie benötigen genügend Bandbreite, um aufzulösen, was ein reflektiertes Signal ist und was nicht.

Die 3GPP-Community versuchte viele Jahre lang, TDOA von GSM-Signalen durchzuführen, gab aber genau aus diesen Gründen auf. Ein GSM-Sender hat auch bis zu 2 W und 200 kHz Bandbreite. Mit mehr Leistung und mehr Bandbreite stellte eine milliardenschwere Industrie fest, dass sie der Physik nicht gewachsen war. Es besteht zwar die Möglichkeit, dass die Community, die TDOA mit LoRa untersucht, einige neue Ideen hat, aber sie kämpfen immer noch hart.

Wie sieht es mit der Mittelwertbildung aus?

Die Mittelung der Signale über die Zeit hilft nur sehr, wenn der Empfänger und der Sender zwischen den Übertragungen in Phase bleiben können. Dies hilft, die effektive Energie im Kanal zu erhöhen und hilft, Problem Nr. 1 zu lösen. LoRa-Sender gehen in den Ruhezustand und laufen mit groben Oszillatoren, so dass die Mittelwertbildung immer wieder dieselbe Messung wäre.

Wie wäre es mit mehr Gateways?

Dies ist absolut hilfreich, da die Wahrscheinlichkeit, dass einige Empfänger ein starkes Direktwegsignal haben, viel besser ist. Wenn die Leistung des Direktwegsignals sehr hoch ist, haben die Mehrwegesignale einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Entfernungsbereich. Aus diesem Grund ist in idealen Szenarien eine Genauigkeit von unter 10 m erreichbar. Das Problem mit einer Menge Gateways ist nur, dass Sie eine Menge Gateways kaufen und installieren müssen. An diesem Punkt könnten die Kosten des Systems selbst bei kostengünstigen Gateways die von Alternativen übersteigen.

Warum veröffentlicht Link Labs das?

Link Labs ist im Grunde ein Engineering-Unternehmen, und als solches werden wir mehr davon angetrieben, technische Herausforderungen zu lösen, als einen Marketing-Hype aufzubauen. Ein zentraler Wert bei Link Labs ist es, gegenüber unseren Kunden und Partnern absolut transparent zu sein, was mit unseren Systemen möglich ist. Wir glauben, dass wir langfristig besser abschneiden werden, wenn wir offen und ehrlich über die Grenzen jeder Technologie sind. Darüber hinaus werden wir häufig nach der Lokalisierung mit LoRa gefragt und sind der Meinung, dass eine ehrliche Bewertung der kommerziellen Rentabilität erforderlich ist.

Das ist großartig, aber Geolokalisierung ist immer noch die Killer-LoRa-App.

Sind wir uns einig! Hier sind drei Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit von LoRa zu nutzen und dies mit der Lokalisierung zu verbinden:

• GPS. Ermitteln Sie die Position mit einem GPS-Chip und senden Sie diese über LoRa zurück. Leicht. Dies ist jedoch stromhungriger und teurer als die native LoRa-Geolokalisierung und funktioniert nur im Freien.
• Proximity/RSSI Reverse Beaconing. In diesem Fall sendet ein Endpunkt (wie ein Bluetooth-Sender) eine Nachricht an einen fest installierten LoRa-fähigen Leser. Dieses Lesegerät sendet dann die Signalstärke und die Zeit zurück an das LoRa-Netzwerk. Ein gutes Beispiel dafür finden Sie auf www.AirFinder.com.
• Signal für Opportunity-/PHY-Berichte. In diesem Anwendungsfall wird ein LoRa-Sender mit so etwas wie einem WLAN-Basisstationsscanner gepaart. Der Endpunkt meldet, welche WLAN-Basisstationen er sieht und an welchem ​​RSSI. Dann wird eine Datenbank wie Skyhook verwendet, um herauszufinden, wo sich ein Knoten tatsächlich befindet.

Dies ist nur der Anfang! Wenn Sie mit einer dieser Techniken (oder einer anderen, an die wir noch nicht gedacht haben) gemeinsam an der Verfolgung von Indoor- und Outdoor-Assets arbeiten möchten, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung.

Leseliste:

Dieses Papier befasst sich mit den oben genannten Punkten (und mehr). Es spricht speziell über die Herausforderungen bei der Durchführung von TDOA mit GSM bei 200 kHz.

Dieses Papier leistet hervorragende Arbeit, um den gesamten Raum sorgfältig zu gestalten.

Dieses Papier konzentriert sich mehr auf Ultrabreitbandsysteme, bietet aber einen guten mathematischen Hintergrund.