LoRa是怎樣實現定位的？

LoRa定位簡介

物聯網應用對定位的要求越來越多，尤其是一些資產跟蹤等的應用。根據Machina Research研究，到2020年底，物聯網將會有超過15億台連接設備。其中約三分之一將嚴重依賴地理數據，60％應用將可能包括地理數據。Semtech的LoRa地理位置解決方案可以滿足這一需求，這些市場包括汽車、物流、消費產品、保險、農業、建築等。

作為一種窄帶無線技術，它是如何實現定位的呢？LoRa是使用到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）來實現地理定位。 下面就開看看它是怎樣實現的。

LoRa定位原理

要了解LoRa定位是如何工作的，就要來看看從終端節點到伺服器的數據傳輸步驟。LoRa定位的前提是所有的基站或網關共享一個共同的時基，這一點非常重要。

當任何一個LoRaWAN終端設備發送一個數據包時，會被其所在網路範圍內的所有網關接收，並且每個報文都將會報告給網路伺服器。所有的網關都是一樣的，它們一直在所有信道上接收所有數據速率的信號。 這意味著在LoRa終端設備上沒有開銷，因為它們不需要掃描和連接到特定的網關。 感測器被簡單地喚醒，發送數據包，網路範圍內的所有網關都可以接收它。

所有網關都會將接受到的相同數據包發到網路伺服器，使用內置於最新一代網關中的專用硬體和軟體捕獲高精度的到達時間。 網路伺服器端的演算法比較到達時間、信號強度、信噪比和其他參數來計算終端節點的最可能的位置。未來，我們期待混合數據融合技術和地圖匹配增強來改善到達時間差，提高定位精度。

為了使地理位置更準確，至少需要三個網關接收數據包。更多網關、更密集的網路會提高定位精度和容量。這是因為當更多的網關接收到相同的數據包時，伺服器芥酸演算法會得到更多信息，從而提高了地理位置精度。

LoRa網關內部需要新一代硬體來計算地理位置中使用的一些參數，如高精度的到達時間。Semtech於2016年初創建了新版網關的參考設計，在許多網關中成功實現。參考設計包括了所需的高質量時間戳功能，適用於獲得授權的網關合作夥伴。 這樣就確保了多個供應商的部署都能一致地工作，提供高質量的時間戳，從而實現最高質量的地理定位服務。

需要重點注意的是，地理位置完全依靠網關和網路技術，因此一旦網關升級，地理位置功能就可用於所有設備。

Semtech還提供了一個地理位置解算程序。通用的解算程序不是專用的應用程序，是與終端節點無關的，這為LoRa地理定位服務提供了良好的開始。 另外，還定義了一個API，允許系統集成商使用第三方可能提高可用位置精度的解算演算法。通過這種開放的模式，Semtech鼓勵解算技術的創新和發展，確保基於LoRaWAN的地理位置不斷改進。

當數據包到達網關時，它並不知道數據包來自哪個終端設備。因此，網關給接每個接受到的數據包加上時間戳，並將其轉發給伺服器。由於訪問地理位置服務是有價值的，所以這些時間戳在網關中通過加密來保護。時間戳被傳輸到網路伺服器，Semtech授權解密功能給網路服務提供商。 網路伺服器提供商可以根據訂閱的服務級別對數據進行解密。

要提供良好位置最大困難之一是減少多路徑傳輸。如下圖所示，一些數據包直接去了網關，有些數據包並沒有但有一個反射信號，其他數據包兩種情況都有。使用更多數據包傳輸來減少多路徑傳輸，可以通過更多的信道、更多的網關、更多天線以及使用機器學習或統計技術。

LoRa定位的可控參數

頻率分集。通過在所有可用信道上重複發送一條消息，平均來看地理位置結果有50％的改善。 一個工作在8通道網路上的靜態終端節點在8個不同信道上發送8個數據包後，那麼其結果將提高50％。

部署網關網格的形狀。 網關部署網格的影響約為25％。 一個長的細網格將比一個方格網格差25％。 因此，網路部署應儘可能側重於以方形模式部署網關。

網關分集。 一般來說，接收信號的網關越多，結果越準確。 然而，超過6個網關，地理位置改善開始變得不明顯。 3到4個網關，大概有25％的改善，超過4個網關地理位置改善開始減少。

天線分集對最弱的信號影響最大。因此，如果設備在3個網關上處於接收良好的位置，增加一個弱的第四個網關，天線分集通常會改變在第四個網關上接收到的數據包從不可用到可用。在這種情況下，它可以提供25％的地理位置改善。

LoRa定位的特點

LoRa Geolocation是面向低功率廣域網的無GPS解決方案。 作為LoRa無線RF平台的主要增強功能，Semtech的LoRa地理位置解決方案將能夠實現作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應用。

這種新功能由現有的LoRa終端節點支持，消除了額外的成本，並且不需要額外的處理能力，同時保持數據和位置的最佳安全性。

LoRaWAN?感測器現在可以支持跟蹤應用，通過使用到達時間差技術來確定接近的位置。

最低功耗

• 感測器中沒有位置任務的處理

• 發送位置數據不需要「空中時間」

• 可能使用儘可能小的LoRaWAN數據包進行地理位置定位

最低成本

• 感測器中沒有GNSS或其他硬體

• 更小的電池，因為沒有使用感測器電源來獲取位置

• 最小尺寸，包括電子部分，電池，外殼

最低環境影響

• 感測器硬體最小化（包括電子部分，電池，外殼尺寸等）

• 許多感測器安裝一個終生電池

文 | 王志傑