Локализация LoRa

В Link Labs наблюдается повышенный интерес к «родной» геолокации с помощью LoRa. Это означало бы использование 3 или более шлюзов для вычисления разницы во времени прибытия (TDOA) по полученному сигналу LoRa и вычисления местоположения. Звучит просто, правда?

Обновление: Компания Semtech объявила, что эта возможность «уже доступна», что должно оказаться очень интересным. См. Этот пресс-релиз.

Обновление №2: Согласно этому отчету о локализации, выпущенному Semtech, частота ошибок 10% для одного пакета с использованием 11 шлюзов в городских условиях составляет чуть более 500 метров. Чтобы нарисовать круг, ваше местоположение будет в пределах 90% времени, это будет чуть более 1 км в диаметре. Чтобы понять почему, продолжайте читать.

Это одна из самых сложных проблем для решения в радио, и в Link Labs у нас есть обширный опыт в создании систем локализации на основе «временной области». Хотя мы признаем, что люди и компании воодушевлены перспективой локализации собственного LoRa, наш профессиональный опыт приводит нас к выводу, что точная локализация с использованием LoRa (или любой маломощной, узкополосной радиочастотной технологии - Sigfox и т. Д.) Является чрезвычайно сложной или невозможно успешно превратить в пригодный для использования подход.

В этой статье мы постараемся сохранить высокий уровень уровень - пожалуйста, просмотрите наш список литературы внизу, если вы хотите больше узнать о технических деталях.

1. Энергия прямого пути

Довольно просто, если вы хотите измерить расстояние между двумя точками, вы должны измерить прямой путь, а не извилистый. Одна из лучших особенностей LoRa заключается в том, что она настолько хорошо работает в многолучевом канале, что вы можете легко получить сигнал после того, как он прошел через две стены, отскочил от холла и поднялся по шахте лифта. У нас есть клиент, использующий шлюз LoRa на 4-м этаже, который взаимодействует с модулем Symphony Link на 44-м этаже того же здания. Сигнал не проникает сквозь 40-дюймовые бетонные плиты. Он вылетает прямо из окна, отскакивает от здания через улицу и возвращается внутрь. Длина этого пути, вероятно, как минимум в два раза больше длины прямого пути.

Способность обнаруживать прямой путь (по сравнению с многолучевым сигналом) является функцией (ВРЕМЯ в ВОЗДУХЕ) x BANDWIDTH x POWER. Сигнал LoRa имеет приличную полосу пропускания и время в эфире, но сигналы, в силу характера их использования и правил, имеют низкую мощность.

Вывод:если между передатчиком и приемником нет прямой видимости, энергии канала недостаточно для обнаружения прямого пути, что еще больше усложняется тем фактом, что «минимальный уровень корреляционного шума» (самый слабый по времени - сигнал на основе, который можно обнаружить) повышается продуктом с ограниченной полосой времени.

2. Разрешение многолучевой корреляции

Это большая проблема для LoRa, но она сложна математически. Прочтите следующее предложение трижды, пока оно действительно не проникнет:

Скажи это еще раз (x2)…

Позвольте мне привести пример, основанный на человеческом…. Слышали ли вы когда-нибудь громкий и раздражающий сигнал, например сигнал будильника? Я говорю о тоне с одной частотой, например о высокой музыкальной ноте. Трудно было понять, откуда это? Это потому, что ваш мозг чрезвычайно сложен при определении разницы во времени прибытия между вашими двумя ушами. Так вы узнаете, откуда исходит звук. В случае этого сигнала тревоги вы понятия не имели, потому что сигнал не имел достаточной полосы пропускания для ваших ушей, чтобы сделать определение TDOA. Этому уделяется большое внимание в индустрии сирен и аварийных сигнализаций для грузовиков, поскольку появляются широкополосные зуммеры и сигнализация. Если вы наблюдаете, как кто-то слышит такой звук, он будет покачивать головой взад и вперед, чтобы воспользоваться техникой «резервной локализации», которая есть в нашем мозгу, используя форму уха, чтобы определить направление самого сильного сигнала (то есть угол прихода).

Стандартный сигнал LoRa имеет полосу пропускания 125 кГц. Отношение, которое определяет способность приемника принимать сигнал с компонентами многолучевого распространения и определять разницу между двумя разными длинами пути, - это c / B. (Скорость света / пропускная способность).

c / 125 кГц =2398 м

Итак… .Если базовая станция LoRa принимает сигнал, который имеет компонент прямого пути (может быть сложно, см. № 1) и несколько сигналов многолучевого распространения, будет НЕВОЗМОЖНО определить разницу, если разница между этими путями не превышает 2,4 км. . Таким образом, сигнал прямого пути будет «затянут» из-за наличия любого без исключения многолучевого распространения.

На этом рисунке вы можете увидеть упрощенный расчет дальности на основе двух путей, одного прямого и одного отраженного. Поскольку разница между длинами путей 1 и 2 меньше 2,4 км, в корреляции для сигнала 125 кГц корреляция не может разрешить их как отдельные и, таким образом, группировать их вместе. Это приводит к появлению ошибки при вычислении диапазона.

Если вы повторно запустите этот пример, но используете сигнал с полосой пропускания 10 МГц, теперь вы можете разрешить разность путей более 30 м. (c / 10Mhz =30 м). Предполагая, что разница в длине 1 и 2 превышает 30 м, функция корреляции теперь может распознавать пути как дискретные, и, таким образом, вычисленный диапазон очень близок к истинному диапазону.

В заключение:для измерения дальности радиосвязи вам необходимо достаточное количество энергии на прямом пути для его обнаружения, а также достаточная полоса пропускания, чтобы определить, что является отраженным сигналом, а что нет.

Сообщество 3GPP на протяжении многих лет пыталось реализовать TDOA для сигналов GSM, но отказалось именно по этим причинам. Передатчик GSM также имеет полосу пропускания до 2 Вт и 200 кГц. Таким образом, с большей мощностью и большей пропускной способностью многомиллиардная индустрия обнаружила, что они не могут сравниться с физикой. Хотя есть вероятность, что у сообщества, исследующего TDOA с помощью LoRa, могут быть некоторые новые идеи, они все еще ведут тяжелую битву.

А как насчет усреднения?

Единственный способ, которым усреднение сигналов по времени очень помогает, - это если приемник и передатчик могут оставаться синхронизированными по фазе между передачами. Это помогает увеличить эффективную энергию в канале и помогает решить проблему №1. Передатчики LoRa переходят в спящий режим и работают с грубыми генераторами, поэтому усреднение будет одним и тем же измерением снова и снова.

Как насчет использования дополнительных шлюзов?

Это абсолютно поможет, потому что вероятность того, что некоторые приемники будут иметь сильный сигнал прямого пути, намного выше. Если мощность прямого сигнала очень высока, многолучевые сигналы оказывают незначительное влияние на зону действия. Вот почему в идеальных сценариях достижима точность менее 10 м. Проблема с тонной шлюзов в том, что вам нужно купить и установить тонну шлюзов. В этот момент стоимость системы может превысить стоимость альтернатив, даже с недорогими шлюзами.

Почему Link Labs публикует это ??

Link Labs, по сути, является инженерной компанией, и поэтому мы больше стремимся решать инженерные задачи, чем создавать маркетинговую шумиху. Основная ценность Link Labs - быть абсолютно прозрачной для наших клиентов и партнеров, когда речь идет о возможностях наших систем. Мы считаем, что, если мы будем откровенны и честны в отношении ограничений любой технологии, мы добьемся большего в долгосрочной перспективе. Кроме того, нас довольно часто спрашивают о локализации с помощью LoRa, и мы твердо уверены, что необходима честная оценка ее коммерческой жизнеспособности.

Это здорово, но геолокация по-прежнему является смертоносным приложением LoRa.

Мы согласны! Вот три способа использовать возможности LoRa в сочетании с локализацией:

• GPS. Определите местоположение с помощью чипа GPS и отправьте его обратно через LoRa. Легкий. Однако это потребляет больше энергии и дороже, чем геолокация в исходном формате LoRa, и работает только снаружи.
• Обратный маяк на близком расстоянии / RSSI . В этом случае конечная точка (например, передатчик Bluetooth) отправляет сообщение фиксированному считывателю с поддержкой LoRa. Затем этот считыватель отправляет мощность сигнала и время обратно в сеть LoRa. Посетите сайт www.AirFinder.com, чтобы увидеть хороший пример этого.
• Сообщение о возможности / отчеты физического уровня. В этом случае передатчик LoRa сопряжен с чем-то вроде сканера базовой станции WiFi. Конечная точка сообщает, какие базовые станции WiFi она видит и на каком RSSI. Затем используется такая база данных, как Skyhook, чтобы выяснить, где на самом деле находится узел.

Это только начало! Если вы хотите вместе работать над отслеживанием объектов внутри и вне помещений, используя любой из этих методов (или другой, о котором мы еще не думали), свяжитесь с нами.

Список для чтения:

В этом документе рассматриваются вышеперечисленные (и многие другие) вопросы. В нем конкретно говорится о проблемах выполнения TDOA с GSM на частоте 200 кГц.

Эта бумага отлично справляется со своей задачей по тщательной планировке всего пространства.

Этот документ больше ориентирован на сверхширокополосные системы, но дает хорошие математические основы.