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分享 | LoRa是怎样实现定位的?

18年08月02日     亿佰特

[导读]根据Machina Research研究,到2020年底,物联网将会有超过15亿台连接设备。其中约三分之一将严重依赖地理数据,60%应用将可能包括地理数据。

1.简介

物联网应用对定位的要求越来越多,尤其是一些资产跟踪等的应用。根据Machina Research研究,到2020年底,物联网将会有超过15亿台连接设备。其中约三分之一将严重依赖地理数据,60%应用将可能包括地理数据。Semtech的LoRa地理位置解决方案可以满足这一需求,这些市场包括汽车、物流、消费产品、保险、农业、建筑等。

作为一种窄带无线技术,它是如何实现定位的呢?LoRa是使用到达时间差(Time Difference of Arrival,TDOA)来实现地理定位。 下面就开看看它是怎样实现的。

2.LoRa定位原理

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要了解LoRa定位是如何工作的,就要来看看从终端节点到服务器的数据传输步骤。LoRa定位的前提是所有的基站或网关共享一个共同的时基,这一点非常重要。

当任何一个LoRaWAN终端设备发送一个数据包时,会被其所在网络范围内的所有网关接收,并且每个报文都将会报告给网络服务器。所有的网关都是一样的,它们一直在所有信道上接收所有数据速率的信号。这意味着在LoRa终端设备上没有开销,因为它们不需要扫描和连接到特定的网关。 传感器被简单地唤醒,发送数据包,网络范围内的所有网关都可以接收它。

所有网关都会将接受到的相同数据包发到网络服务器,使用内置于最新一代网关中的专用硬件和软件捕获高精度的到达时间。网络服务器端的算法比较到达时间、信号强度、信噪比和其他参数来计算终端节点的最可能的位置。未来,我们期待混合数据融合技术和地图匹配增强来改善到达时间差,提高定位精度。

为了使地理位置更准确,至少需要三个网关接收数据包。更多网关、更密集的网络会提高定位精度和容量。这是因为当更多的网关接收到相同的数据包时,服务器芥酸算法会得到更多信息,从而提高了地理位置精度。

LoRa网关内部需要新一代硬件来计算地理位置中使用的一些参数,如高精度的到达时间。Semtech于2016年初创建了新版网关的参考设计,在许多网关中成功实现。参考设计包括了所需的高质量时间戳功能,适用于获得授权的网关合作伙伴。这样就确保了多个供应商的部署都能一致地工作,提供高质量的时间戳,从而实现最高质量的地理定位服务。

需要重点注意的是,地理位置完全依靠网关和网络技术,因此一旦网关升级,地理位置功能就可用于所有设备

Semtech还提供了一个地理位置解算程序。通用的解算程序不是专用的应用程序,是与终端节点无关的,这为LoRa地理定位服务提供了良好的开始。 另外,还定义了一个API,允许系统集成商使用第三方可能提高可用位置精度的解算算法。通过这种开放的模式,Semtech鼓励解算技术的创新和发展,确保基于LoRaWAN的地理位置不断改进。

当数据包到达网关时,它并不知道数据包来自哪个终端设备。因此,网关给接每个接受到的数据包加上时间戳,并将其转发给服务器。由于访问地理位置服务是有价值的,所以这些时间戳在网关中通过加密来保护。时间戳被传输到网络服务器,Semtech授权解密功能给网络服务提供商。 网络服务器提供商可以根据订阅的服务级别对数据进行解密。

要提供良好位置最大困难之一是减少多路径传输。如下图所示,一些数据包直接去了网关,有些数据包并没有但有一个反射信号,其他数据包两种情况都有。使用更多数据包传输来减少多路径传输,可以通过更多的信道、更多的网关、更多天线以及使用机器学习或统计技术。

3.LoRa定位的可控参数

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频率分集:通过在所有可用信道上重复发送一条消息,平均来看地理位置结果有50%的改善。 一个工作在8通道网络上的静态终端节点在8个不同信道上发送8个数据包后,那么其结果将提高50%。

部署网关网格的形状。网关部署网格的影响约为25%。 一个长的细网格将比一个方格网格差25%。因此,网络部署应尽可能侧重于以方形模式部署网关。

网关分集: 一般来说,接收信号的网关越多,结果越准确。然而,超过6个网关,地理位置改善开始变得不明显。 3到4个网关,大概有25%的改善,超过4个网关地理位置改善开始减少。

天线分集对最弱的信号影响最大。因此,如果设备在3个网关上处于接收良好的位置,增加一个弱的第四个网关,天线分集通常会改变在第四个网关上接收到的数据包从不可用到可用。在这种情况下,它可以提供25%的地理位置改善。

4.LoRa定位的特点

LoRa Geolocation是面向低功率广域网的无GPS解决方案。 作为LoRa无线RF平台的主要增强功能,Semtech的LoRa地理位置解决方案将能够实现作为整体解决方案中一部分需要位置确定的应用。

这种新功能由现有的LoRa终端节点支持,消除了额外的成本,并且不需要额外的处理能力,同时保持数据和位置的最佳安全性。

LoRaWAN?传感器现在可以支持跟踪应用,通过使用到达时间差技术来确定接近的位置。

最低功耗

传感器中没有位置任务的处理

发送位置数据不需要“空中时间”

可能使用尽可能小的LoRaWAN数据包进行地理位置定位

最低成本

传感器中没有GNSS或其他硬件

更小的电池,因为没有使用传感器电源来获取位置

最小尺寸,包括电子部分,电池,外壳

最低环境影响

传感器硬件最小化(包括电子部分,电池,外壳尺寸等)

许多传感器安装一个终生电池

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编辑:nicle

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