LoRa-lokalisatie

Bij Link Labs horen we een toenemende interesse in het doen van "native" geolocatie met LoRa. Dit zou betekenen dat u 3 of meer gateways gebruikt om een ​​tijdsverschil van aankomst (TDOA) te berekenen op het ontvangen LoRa-signaal en de positie te berekenen. Klinkt makkelijk toch?

Bijwerken: Semtech heeft nu aangekondigd dat deze mogelijkheid "nu beschikbaar" is, wat erg interessant zou moeten blijken te zijn. Zie dit persbericht.

Update #2: Volgens dit rapport over lokalisatie uitgegeven door Semtech, is het foutenpercentage van 10% voor een enkel pakket met behulp van 11 gateways in een stedelijke omgeving is iets meer dan 500 meter. Om een ​​cirkel te tekenen, zal je locatie binnen 90% van de tijd zijn, het zou iets meer dan 1 km in diameter zijn. Blijf lezen om te begrijpen waarom.

Dit is een van de moeilijkst op te lossen problemen bij radio, en bij Link Labs hebben we een uitgebreide ervaring in het bouwen van op "tijddomein" gebaseerde lokalisatiesystemen. Hoewel we erkennen dat mensen en bedrijven enthousiast zijn over het vooruitzicht van native LoRa-lokalisatie, leidt onze professionele expertise ons tot de conclusie dat nauwkeurige lokalisatie met behulp van LoRa (of een laag vermogen, smalband, RF-technologie, Sigfox, enz.) uiterst moeilijk of onmogelijk om succesvol te ontwikkelen tot een bruikbare aanpak.

Dit artikel zal proberen hoog te blijven niveau - zie onze leeslijst onderaan als je meer in de technische details wilt duiken.

1. Directe pad-energie

Het is vrij eenvoudig dat als je de afstand tussen twee punten wilt meten, je het directe pad moet meten, niet een meanderend pad. Een van de beste eigenschappen van LoRa is dat het het zo goed doet in een multipath-kanaal, dat je het signaal gemakkelijk kunt ontvangen nadat het door twee muren is gegaan, door de hal is gestuiterd en de liftschacht is opgegaan. We hebben een klant die op de 4e verdieping een LoRa Gateway gebruikt, die communiceert met een Symphony Link-module op de 44e verdieping van hetzelfde gebouw. Het signaal dringt niet door betonplaten van 40 tien inch. Het gaat regelrecht uit het raam, stuitert van het gebouw aan de overkant van de straat en gaat weer naar binnen. De lengte van dit pad is waarschijnlijk minstens twee keer de lengte van het directe pad.

De mogelijkheid om het directe pad te detecteren (vs. een multipath-signaal) is een functie van (TIME on AIR) x BANDBREEDTE x VERMOGEN. Het LoRa-signaal heeft een behoorlijke bandbreedte en tijd in de lucht, maar de signalen zijn, door de aard van hun gebruikssituaties en voorschriften, laag in vermogen.

Conclusie:Tenzij er een bijna directe zichtlijn is tussen de zender en de ontvanger, is er niet genoeg kanaalenergie om het directe pad te detecteren, wat verder wordt bemoeilijkt door het feit dat de "correlatieruisvloer" (zwakste tijd- gebaseerd signaal dat detecteerbaar is) wordt verhoogd door product met beperkte tijdbandbreedte.

2. Multipath Correlatie Resolutie

Dit is het grotere probleem voor LoRa, maar het is wiskundig gecompliceerd. Lees de volgende zin drie keer, totdat hij echt tot je doordringt:

Zeg het nog een keer (x2)...

Laat me je een menselijk voorbeeld geven…. Heb je ooit een luide en vervelende toon gehoord, zoals een alarm? Ik heb het over een toon die op een enkele frequentie staat, zoals een hoge muzieknoot. Was het moeilijk te achterhalen waar het vandaan kwam? Dat komt omdat je hersenen extreem geavanceerd zijn bij het bepalen van het verschil in aankomsttijd tussen je twee oren. Zo weet je uit welke richting een geluid komt. In het geval van deze alarmtoon had je geen idee, omdat het signaal niet genoeg bandbreedte had voor je oren om een ​​TDOA-bepaling te maken. Dit is een belangrijk aandachtspunt in de industrie voor sirenes en achteruitrijdende vrachtwagens, aangezien breedbandzoemers en alarmen worden geïntroduceerd. Als je iemand zo'n geluid ziet horen, zullen ze hun hoofd heen en weer wiebelen om gebruik te maken van de "back-up"-lokalisatietechniek die onze hersenen hebben, waarbij ze onze oorvorm gebruiken om de richting van het sterkste signaal te vinden (dwz hoek van aankomst).

Een standaard LoRa-signaal heeft een bandbreedte van 125 kHz. De relatie die het vermogen van een ontvanger regelt om een ​​signaal met multipath-componenten te ontvangen en het verschil tussen twee verschillende padlengtes te bepalen, is c/B. (Snelheid van het licht / bandbreedte).

c / 125 kHz =2398 m

Dus...Als een LoRa-basisstation een signaal ontvangt dat een directe padcomponent heeft (misschien moeilijk, zie #1) en meerdere multipath-signalen, is het ONMOGELIJK om het verschil te bepalen, tenzij die paden groter zijn dan 2,4 km in verschil . Het directe padsignaal zal dus "lang worden getrokken" door de aanwezigheid van alle multipaden.

In deze figuur zie je een vereenvoudigde bereikberekening op basis van 2 paden, een direct en een gereflecteerd. Aangezien het verschil tussen de lengtes van pad 1 en pad 2 minder dan 2,4 km is, kan de correlatie ze in de correlatie voor een 125 kHz-signaal niet als afzonderlijk oplossen en groeperen ze ze dus. Dit heeft tot gevolg dat er fouten worden toegevoegd aan de berekening van het bereik.

Als u dit voorbeeld herhaalt, maar een signaal met een bandbreedte van 10 MHz gebruikt, kunt u nu padverschillen van meer dan 30 meter oplossen. (c / 10Mhz =30m). Ervan uitgaande dat 1 en 2 een lengteverschil van meer dan 30 m hebben, kan de correlatiefunctie nu de paden onderscheiden als discreet, en dus ligt het berekende bereik zeer dicht bij het werkelijke bereik.

Samenvattend:om het radiobereik te meten, heb je voldoende energie nodig in het directe pad om het te detecteren, en je hebt voldoende bandbreedte nodig om te bepalen wat een gereflecteerd signaal is en wat niet.

De 3GPP-gemeenschap probeerde jarenlang TDOA van GSM-signalen uit te voeren, maar gaf het om precies deze redenen op. Een GSM-zender is ook tot 2W en 200 kHz bandbreedte. Dus met meer kracht en meer bandbreedte ontdekte een miljardenindustrie dat ze geen partij waren voor de natuurkunde. Hoewel er een kans is dat de gemeenschap die TDOA met LoRa onderzoekt, nieuwe ideeën heeft, voeren ze nog steeds een zware strijd.

Hoe zit het met het gemiddelde?

De enige manier waarop het middelen van signalen in de loop van de tijd erg helpt, is als de ontvanger en de zender in fase vergrendeld kunnen blijven tussen uitzendingen. Dit helpt de effectieve energie in het kanaal te vergroten en helpt bij het oplossen van probleem #1. LoRa-zenders gaan slapen en werken met ruwe oscillatoren, dus het gemiddelde zou steeds weer dezelfde meting zijn.

Hoe zit het met het gebruik van meer gateways?

Dit zal absoluut helpen, omdat de kans dat sommige ontvangers een sterk direct padsignaal hebben veel groter is. Als het vermogen van het directe padsignaal erg hoog is, hebben de multipadsignalen een verwaarloosbaar effect op het bereik. Dit is de reden waarom een ​​nauwkeurigheid van minder dan 10 m haalbaar is in ideale scenario's. Het probleem met een heleboel gateways is alleen dat je een heleboel gateways moet kopen en installeren. Op dat moment zouden de kosten van het systeem hoger kunnen zijn dan die van alternatieven, zelfs met goedkope gateways.

Waarom publiceert Link Labs dit??

Link Labs is in wezen een ingenieursbureau en als zodanig worden we meer gedreven door het oplossen van technische uitdagingen dan door het opbouwen van een marketinghype. Een kernwaarde bij Link Labs is absoluut transparant zijn met onze klanten en partners als het gaat om wat er mogelijk is met onze systemen. We zijn van mening dat we het op de lange termijn beter zullen doen als we openhartig en eerlijk zijn over de beperkingen van elke technologie. Bovendien krijgen we nogal wat vragen over lokalisatie met LoRa en zijn we ervan overtuigd dat een eerlijke beoordeling van de commerciële levensvatbaarheid ervan nodig is.

Dat is geweldig, maar geolocatie is nog steeds de geweldige LoRa-app.

Wij zijn het eens! Hier zijn drie manieren om de kracht van LoRa te gebruiken en dat te koppelen aan lokalisatie:

• GPS. Bepaal de positie met behulp van een GPS-chip en verzend die terug via LoRa. Eenvoudig. Dit is echter meer energieverslindend en duurder dan het doen van native LoRa-geolocatie en werkt alleen buiten.
• Nabijheid/RSSI omgekeerde baken. In dit geval stuurt een eindpunt (zoals een Bluetooth-zender) een bericht naar een vaste LoRa-lezer. Deze reader stuurt vervolgens de signaalsterkte en tijd terug naar het LoRa-netwerk. Kijk op www.AirFinder.com voor een goed voorbeeld hiervan.
• Signaal van opportunity/PHY-rapportage. In dit geval wordt een LoRa-zender gekoppeld aan zoiets als een wifi-basisstationscanner. Het eindpunt meldt welke wifi-basisstations het ziet en bij welke RSSI. Vervolgens wordt een database zoals Skyhook gebruikt om erachter te komen waar een node zich daadwerkelijk bevindt.

Dit is nog maar het begin! Als u met een van deze technieken (of een andere waar we nog niet aan hebben gedacht) samen wilt werken aan het volgen van binnen- en buitenactiva, neem dan contact met ons op.

Leeslijst:

Dit document behandelt de bovenstaande punten (en meer). Er wordt specifiek gesproken over de uitdagingen van het doen van TDOA met GSM op 200 kHz.

Dit papier doet geweldig werk door de hele ruimte zorgvuldig in te delen.

Dit artikel is meer gericht op ultrabreedbandsystemen, maar geeft een goede wiskundige achtergrond.