LoRa技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)精確定位的

1.簡(jiǎn)介

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)定位的要求越來越多，尤其是一些資產(chǎn)跟蹤等的應(yīng)用。根據(jù)Machina Research研究，到2020年底，物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)有超過15億臺(tái)連接設(shè)備。其中約三分之一將嚴(yán)重依賴地理數(shù)據(jù)，60％應(yīng)用將可能包括地理數(shù)據(jù)。Semtech的LoRa地理位置解決方案可以滿足這一需求，這些市場(chǎng)包括汽車、物流、消費(fèi)產(chǎn)品、保險(xiǎn)、農(nóng)業(yè)、建筑等。

作為一種窄帶無(wú)線技術(shù)，它是如何實(shí)現(xiàn)定位的呢？LoRa是使用到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）來實(shí)現(xiàn)地理定位。 下面就開看看它是怎樣實(shí)現(xiàn)的。

2.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(jié)點(diǎn)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸步驟。LoRa定位的前提是所有的基站或網(wǎng)關(guān)共享一個(gè)共同的時(shí)基，這一點(diǎn)非常重要。

當(dāng)任何一個(gè)LoRaWAN終端設(shè)備發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)被其所在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有網(wǎng)關(guān)接收，并且每個(gè)報(bào)文都將會(huì)報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。所有的網(wǎng)關(guān)都是一樣的，它們一直在所有信道上接收所有數(shù)據(jù)速率的信號(hào)。這意味著在LoRa終端設(shè)備上沒有開銷，因?yàn)樗鼈儾恍枰獟呙韬瓦B接到特定的網(wǎng)關(guān)。 傳感器被簡(jiǎn)單地喚醒，發(fā)送數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有網(wǎng)關(guān)都可以接收它。

所有網(wǎng)關(guān)都會(huì)將接受到的相同數(shù)據(jù)包發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，使用內(nèi)置于最新一代網(wǎng)關(guān)中的專用硬件和軟件捕獲高精度的到達(dá)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端的算法比較到達(dá)時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)度、信噪比和其他參數(shù)來計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)的最可能的位置。未來，我們期待混合數(shù)據(jù)融合技術(shù)和地圖匹配增強(qiáng)來改善到達(dá)時(shí)間差，提高定位精度。

為了使地理位置更準(zhǔn)確，至少需要三個(gè)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)包。更多網(wǎng)關(guān)、更密集的網(wǎng)絡(luò)會(huì)提高定位精度和容量。這是因?yàn)楫?dāng)更多的網(wǎng)關(guān)接收到相同的數(shù)據(jù)包時(shí)，服務(wù)器芥酸算法會(huì)得到更多信息，從而提高了地理位置精度。

LoRa網(wǎng)關(guān)內(nèi)部需要新一代硬件來計(jì)算地理位置中使用的一些參數(shù)，如高精度的到達(dá)時(shí)間。Semtech于2016年初創(chuàng)建了新版網(wǎng)關(guān)的參考設(shè)計(jì)，在許多網(wǎng)關(guān)中成功實(shí)現(xiàn)。參考設(shè)計(jì)包括了所需的高質(zhì)量時(shí)間戳功能，適用于獲得授權(quán)的網(wǎng)關(guān)合作伙伴。這樣就確保了多個(gè)供應(yīng)商的部署都能一致地工作，提供高質(zhì)量的時(shí)間戳，從而實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量的地理定位服務(wù)。需要重點(diǎn)注意的是，地理位置完全依靠網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此一旦網(wǎng)關(guān)升級(jí)，地理位置功能就可用于所有設(shè)備

Semtech還提供了一個(gè)地理位置解算程序。通用的解算程序不是專用的應(yīng)用程序，是與終端節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)的，這為L(zhǎng)oRa地理定位服務(wù)提供了良好的開始。 另外，還定義了一個(gè)API，允許系統(tǒng)集成商使用第三方可能提高可用位置精度的解算算法。通過這種開放的模式，Semtech鼓勵(lì)解算技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，確?；贚oRaWAN的地理位置不斷改進(jìn)。

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)關(guān)時(shí)，它并不知道數(shù)據(jù)包來自哪個(gè)終端設(shè)備。因此，網(wǎng)關(guān)給接每個(gè)接受到的數(shù)據(jù)包加上時(shí)間戳，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器。由于訪問地理位置服務(wù)是有價(jià)值的，所以這些時(shí)間戳在網(wǎng)關(guān)中通過加密來保護(hù)。時(shí)間戳被傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，Semtech授權(quán)解密功能給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器提供商可以根據(jù)訂閱的服務(wù)級(jí)別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)包直接去了網(wǎng)關(guān)，有些數(shù)據(jù)包并沒有但有一個(gè)反射信號(hào)，其他數(shù)據(jù)包兩種情況都有。使用更多數(shù)據(jù)包傳輸來減少多路徑傳輸，可以通過更多的信道、更多的網(wǎng)關(guān)、更多天線以及使用機(jī)器學(xué)習(xí)或統(tǒng)計(jì)技術(shù)。

3.LoRa定位的可控參數(shù)

頻率分集：通過在所有可用信道上重復(fù)發(fā)送一條消息，平均來看地理位置結(jié)果有50％的改善。 一個(gè)工作在8通道網(wǎng)絡(luò)上的靜態(tài)終端節(jié)點(diǎn)在8個(gè)不同信道上發(fā)送8個(gè)數(shù)據(jù)包后，那么其結(jié)果將提高50％。部署網(wǎng)關(guān)網(wǎng)格的形狀。網(wǎng)關(guān)部署網(wǎng)格的影響約為25％。 一個(gè)長(zhǎng)的細(xì)網(wǎng)格將比一個(gè)方格網(wǎng)格差25％。因此，網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)盡可能側(cè)重于以方形模式部署網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)分集：?一般來說，接收信號(hào)的網(wǎng)關(guān)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。然而，超過6個(gè)網(wǎng)關(guān)，地理位置改善開始變得不明顯。 3到4個(gè)網(wǎng)關(guān)，大概有25％的改善，超過4個(gè)網(wǎng)關(guān)地理位置改善開始減少。天線分集對(duì)最弱的信號(hào)影響最大。因此，如果設(shè)備在3個(gè)網(wǎng)關(guān)上處于接收良好的位置，增加一個(gè)弱的第四個(gè)網(wǎng)關(guān)，天線分集通常會(huì)改變?cè)诘谒膫€(gè)網(wǎng)關(guān)上接收到的數(shù)據(jù)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。

4.LoRa定位的特點(diǎn)

LoRa Geolocation是面向低功率廣域網(wǎng)的無(wú)GPS解決方案。 作為L(zhǎng)oRa無(wú)線RF平臺(tái)的主要增強(qiáng)功能，Semtech的LoRa地理位置解決方案將能夠?qū)崿F(xiàn)作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應(yīng)用。這種新功能由現(xiàn)有的LoRa終端節(jié)點(diǎn)支持，消除了額外的成本，并且不需要額外的處理能力，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)和位置的最佳安全性。LoRaWAN?傳感器現(xiàn)在可以支持跟蹤應(yīng)用，通過使用到達(dá)時(shí)間差技術(shù)來確定接近的位置。

最低功耗

傳感器中沒有位置任務(wù)的處理

發(fā)送位置數(shù)據(jù)不需要“空中時(shí)間”

可能使用盡可能小的LoRaWAN數(shù)據(jù)包進(jìn)行地理位置定位

最低成本

傳感器中沒有GNSS或其他硬件

更小的電池，因?yàn)闆]有使用傳感器電源來獲取位置

最小尺寸，包括電子部分，電池，外殼

最低環(huán)境影響

傳感器硬件最小化（包括電子部分，電池，外殼尺寸等）

許多傳感器安裝一個(gè)終生電池

fqj