LoRa-Positionierung, wie LoRa die Positionierung erreicht

Wie erfolgt die Positionsbestimmung bei LoRa? Als Schmalband-Funktechnologie nutzt LoRa die Ankunftszeitdifferenz (Time Difference of Arrival, TDOA), um eine geografische Positionierung zu erreichen. Nach Angaben von Machina Research wird es bis Ende 2020 mehr als 1,5 Milliarden vernetzte Geräte im Internet der Dinge geben. Etwa ein Drittel davon wird in hohem Maße auf geografische Daten angewiesen sein, und 60% der Anwendungen werden wahrscheinlich geografische Daten enthalten. Dies gilt insbesondere für einige Anwendungen wie die Verfolgung von Vermögenswerten. Werfen wir einen Blick darauf, wie dies umgesetzt wird.

1. Prinzip der LoRa-Ortung

Um zu verstehen, wie LoRa-Ortung funktioniert, ist es notwendig, die Schritte der Datenübertragung vom Endknoten zum Server zu betrachten. Die Prämisse der LoRa-Ortung ist, dass alle Basisstationen oder Gateways eine gemeinsame Zeitbasis haben, was sehr wichtig ist.

Wenn ein LoRaWAN-Endgerät ein Datenpaket sendet, wird es von allen Gateways innerhalb der Netzreichweite empfangen, und jedes Paket wird an den Netzserver gemeldet. Alle Gateways sind gleich, sie empfangen Signale mit allen Datenraten auf allen Kanälen zu jeder Zeit. Das bedeutet, dass es keinen Overhead für LoRa-Endgeräte gibt, da sie nicht nach einem bestimmten Gateway suchen und sich mit diesem verbinden müssen. Der Sensor wacht einfach auf, sendet ein Paket, und alle Gateways innerhalb der Netzwerkreichweite können es empfangen.

Alle Gateways senden dieselben Pakete, die sie empfangen, an den Netzwerkserver und erfassen mit Hilfe spezieller Hardware und Software, die in die neueste Generation von Gateways eingebaut ist, hochpräzise Ankunftszeiten. Algorithmen auf der Seite des Netzwerkservers vergleichen Ankunftszeit, Signalstärke, Signal-Rausch-Verhältnis und andere Parameter, um den wahrscheinlichsten Standort des Endknotens zu berechnen. In Zukunft werden wir die Technologie der hybriden Datenfusion und die Verbesserung des Kartenabgleichs nutzen, um die Unterschiede bei den Ankunftszeiten und die Genauigkeit der Ortung zu verbessern.

Damit die Geolokalisierung genauer wird, sind mindestens drei Gateways erforderlich, um die Pakete zu empfangen. Mehr Gateways und ein dichteres Netz verbessern die Ortungsgenauigkeit und die Kapazität. Denn wenn mehr Gateways das gleiche Paket empfangen, erhält der Server-Algorithmus mehr Informationen und verbessert so die Genauigkeit der Geolokalisierung.

Innerhalb des LoRa-Gateways wird eine neue Generation von Hardware benötigt, um einige Parameter zu berechnen, die bei der Geolokalisierung verwendet werden, wie z. B. die hochpräzise Ankunftszeit. Semtech hat Anfang 2016 ein Referenzdesign für die neue Version des Gateways entwickelt, das erfolgreich in vielen Gateways implementiert wurde. Das Referenzdesign enthält die erforderlichen hochwertigen Zeitstempel-Funktionen und ist für autorisierte Gateway-Partner verfügbar. Dadurch wird sichergestellt, dass die Implementierungen mehrerer Anbieter einheitlich funktionieren und qualitativ hochwertige Zeitstempel liefern, die Geolokalisierungsdienste von höchster Qualität ermöglichen.

Es ist wichtig zu wissen, dass die Geolokalisierung vollständig von der Gateway- und Netzwerktechnologie abhängt. Sobald das Gateway aufgerüstet ist, wird die Geolokalisierungsfunktionalität für alle Geräte verfügbar sein.

Semtech bietet auch ein Geolocation Solver-Programm an. Der allgemeine Solver ist keine dedizierte Anwendung und ist unabhängig vom Endknoten, was einen guten Start für LoRa-Geolokalisierungsdienste darstellt. Zusätzlich wurde eine API definiert, die es Systemintegratoren ermöglicht, Lösungsalgorithmen von Drittanbietern zu verwenden, die die verfügbare Positionsgenauigkeit verbessern können. Durch dieses offene Modell fördert Semtech die Innovation und Entwicklung von Lösungstechnologien, um eine kontinuierliche Verbesserung der LoRaWAN-basierten Geolokalisierung zu gewährleisten.

Wenn ein Paket das Gateway erreicht, weiß es nicht, von welchem Endgerät das Paket stammt. Daher versieht das Gateway jedes empfangene Paket mit einem Zeitstempel und leitet es an den Server weiter. Da der Zugang zu Geolokalisierungsdiensten wertvoll ist, werden diese Zeitstempel im Gateway durch Verschlüsselung geschützt. Der Zeitstempel wird an den Netzwerkserver übertragen und Semtech autorisiert die Entschlüsselungsfunktion für den Netzwerkdienstanbieter. Der Webserver-Anbieter kann die Daten je nach der abonnierten Serviceebene entschlüsseln.

Eine der größten Schwierigkeiten bei der Bereitstellung eines guten Standorts ist die Reduzierung der Mehrwegeübertragung. Wie in der Abbildung unten dargestellt, gehen einige Datenpakete direkt zum Gateway, einige Datenpakete gehen nicht zum Gateway, sondern haben ein reflektiertes Signal, und andere Datenpakete haben beide Situationen. Die Reduzierung der Mehrwegeübertragung durch mehr Paketübertragungen kann durch mehr Kanäle, mehr Gateways, mehr Antennen und den Einsatz von maschinellem Lernen oder statistischen Verfahren erfolgen.

2. Merkmale der LoRa-Ortung

LoRa Geolocation ist eine GPS-freie Lösung für Weitverkehrsnetze mit geringer Leistung. Als wichtige Erweiterung der drahtlosen LoRa-RF-Plattform ermöglicht die LoRa-Geolocation-Lösung von Semtech Anwendungen, die eine Standortbestimmung als Teil einer Gesamtlösung erfordern.

Diese neue Funktion wird von bestehenden LoRa-Endknoten unterstützt, wodurch zusätzliche Kosten entfallen und keine zusätzliche Rechenleistung erforderlich ist, während gleichzeitig eine optimale Sicherheit der Daten und des Standorts gewährleistet wird.

LoRaWAN™-Sensoren können nun Tracking-Anwendungen unterstützen, indem sie die Technologie der Ankunftszeitdifferenz nutzen, um den Ort der Nähe zu bestimmen.

geringste Leistungsaufnahme

- Keine Verarbeitung von Positionsaufgaben im Sensor

- Keine "Sendezeit" für die Übermittlung von Standortdaten erforderlich

- Möglichkeit, die kleinstmöglichen LoRaWAN-Pakete für die Geolokalisierung zu verwenden

niedrigste Kosten

- Kein GNSS oder andere Hardware im Sensor

- Kleinere Batterie, da die Sensorleistung nicht zur Positionsbestimmung verwendet wird

- Mindestgröße, einschließlich Elektronik, Batterie, Gehäuse

minimale Umweltbelastung

- Minimierung der Sensorhardware (einschließlich elektronischer Teile, Batterie, Gehäusegröße usw.)

- Viele Sensoren sind mit einer lebenslangen Batterie ausgestattet

3. Kontrollierbare Parameter der LoRa-Positionierung

Frequenzvielfalt: Durch Wiederholung einer Nachricht auf allen verfügbaren Kanälen werden die Geolokalisierungsergebnisse im Durchschnitt um 50% verbessert. Ein statischer Endknoten, der in einem 8-Kanal-Netz arbeitet, verbessert seine Ergebnisse um 50%, indem er 8 Pakete auf 8 verschiedenen Kanälen sendet.

Die Form der Bereitstellung Gateway Mesh. Die Auswirkung des Gateway-Einsatzgitters beträgt etwa 25%. Ein langes, feines Netz hat eine um 25% schlechtere Leistung als ein quadratisches Netz. Daher sollte man sich bei der Netzbereitstellung so weit wie möglich darauf konzentrieren, die Gateways in einem quadratischen Muster einzusetzen.

Gateway-Vielfalt: Im Allgemeinen gilt: Je mehr Gateways das Signal empfangen, desto genauer sind die Ergebnisse. Bei mehr als 6 Gateways wird die Verbesserung der Geolokalisierung jedoch weniger deutlich. Bei 3 bis 4 Gateways ergibt sich eine Verbesserung von etwa 25%, und bei mehr als 4 Gateways beginnt die Verbesserung der geografischen Ortung zu sinken.

Antennendiversity wirkt sich am stärksten auf die schwächsten Signale aus. Befindet sich ein Gerät also in einer Position mit gutem Empfang auf 3 Gateways und fügt ein schwaches viertes Gateway hinzu, ändert die Antennendiversität normalerweise die auf dem vierten Gateway empfangenen Pakete von nicht verfügbar zu verfügbar. In diesem Fall kann es eine Standortverbesserung von 25% bringen.

Dies ist die Einleitung zum Thema " LoRa-Positionierung "Ich hoffe, dass es für Sie hilfreich sein wird! LoRa ist eine der LPWAN-Kommunikationstechnologien. Es handelt sich dabei um eine drahtlose Übertragungslösung für sehr große Entfernungen, die auf der Spreizspektrums-Technologie basiert, die von der amerikanischen Firma Semtech übernommen und gefördert wurde. Diese Lösung ändert den bisherigen Kompromiss zwischen Übertragungsdistanz und Stromverbrauch und bietet den Nutzern ein einfaches System, das eine große Distanz, eine lange Batterielebensdauer und eine große Kapazität erreichen kann, wodurch das Sensornetzwerk erweitert wird. Derzeit wird LoRa hauptsächlich in freien Frequenzbändern auf der ganzen Welt betrieben, darunter 433, 868, 915 MHz usw.