LoRa 本地化

在 Link Labs，我们听到越来越多的兴趣使用 LoRa 进行“原生”地理定位。这意味着使用 3 个或更多网关对接收的 LoRa 信号进行到达时间差 (TDOA) 计算并计算位置。听起来很简单吧？

更新： Semtech 现在宣布此功能“现已可用”，这将证明非常有趣。请参阅此新闻稿。

更新 #2： 根据 Semtech 发布的这份本地化报告，使用 11 个网关的单个数据包的 10% 错误率 在城市环境中仅 500 多米。要画一个圆圈，您的位置在 90% 的情况下都在其范围内，它的直径将刚好超过 1 公里。要了解原因，请继续阅读。

这是无线电中最难解决的问题之一，在 Link Labs，我们在构建基于“时域”的定位系统方面拥有丰富的经验。虽然我们认识到人们和公司对本地 LoRa 本地化的前景感到兴奋，但我们的专业知识使我们得出结论，使用 LoRa（或任何低功率、窄带、RF 技术 - Sigfox 等）进行准确定位极其困难或不可能成功开发成可用 方法。

这篇文章要尽量保持高级别 - 如果您想深入了解技术细节，请参阅底部的阅读清单。

1.直接路径能量

很简单，如果你想测量两点之间的距离，你应该测量直接路径，而不是曲折路径。 LoRa 的最佳特性之一是它在多径信道中表现如此出色，您可以在信号穿过两堵墙、从大厅反弹到电梯井后轻松接收信号。我们有一位客户在 4 楼使用 LoRa 网关，该网关与同一建筑物 44 楼的 Symphony Link 模块通信。信号没有穿透 40 块 10 英寸厚的混凝土板。它从窗外飞出去，从街对面的建筑物上弹开，然后返回里面。这条路径的长度可能至少是直接路径长度的两倍。

检测直接路径（相对于多路径信号）的能力是（空中时间）x 带宽x 功率的函数。 LoRa 信号具有不错的带宽和播出时间，但根据其用例和法规的性质，这些信号的功率很低。

结论：除非发射机和接收机之间有近乎直接的视线，否则没有足够的信道能量来检测直接路径，“相关本底噪声”（最弱时间-基于可检测的信号）被有限的时间带宽积提升。

2.多径相关解析

这是 LoRa 的更大问题，但它在数学上很复杂。把下面这句话读三遍，直到真正沉入其中：

再说一遍（x2）...

让我给你一个基于人类的例子......你有没有听到过响亮而烦人的声音，比如闹钟？我说的是单一频率的音调，就像高音调的音符。很难弄清楚它是从哪里来的吗？那是因为在确定两只耳朵之间的到达时间差异时，您的大脑非常复杂。这就是你如何知道声音来自哪个方向。在这种警报音的情况下，您不知道，因为信号没有足够的带宽让您的耳朵做出 TDOA 确定。随着宽带蜂鸣器和警报的引入，这是警报器和卡车倒车警报行业的一大焦点。如果你看到有人听到这样的声音，他们会来回摆动头部，以利用我们大脑的“备份”定位技术，利用我们的耳朵形状来寻找最强信号的方向（即到达角）。

标准 LoRa 信号的带宽为 125 kHz。控制接收器接收具有多径分量的信号的能力并区分两个不同路径长度之间的关系是 c/B。 （光速/带宽）。

c / 125 kHz =2398 米

所以……如果 LoRa 基站接收到一个信号，该信号具有直接路径分量（可能很难，请参阅 #1）和多个多路径信号，除非这些路径的差异大于 2.4km，否则将无法确定差异.因此，任何和所有多径的存在都会“拉长”直接路径信号。

在此图中，您可以看到基于 2 条路径的简化范围计算，一条直接路径，一条反射路径。由于路径1和路径2的长度之差小于2.4km，在125kHz信号的相关性中，相关性不能将它们分解为单独的，因此将它们组合在一起。这具有在范围计算中引入误差的效果。

如果您重新运行此示例，但使用带宽为 10 MHz 的信号，您现在可以解决超过 30 m 的路径差异。 （c / 10Mhz =30m）。假设1和2的长度差超过30m，相关函数现在可以将路径识别为离散的，因此计算出的距离非常接近真实距离。

结论：要测量无线电范围，您需要在直接路径中提供足够的能量来检测它，并且您需要足够的带宽来分辨哪些是反射信号，哪些不是。

3GPP 社区多年来一直在尝试做 GSM 信号的 TDOA，但由于这些原因而放弃了。 GSM 发射机的带宽也高达 2W 和 200 kHz。因此，随着功率和带宽的增加，数十亿美元的行业发现它们无法与物理学匹敌。尽管使用 LoRa 调查 TDOA 的社区可能会有一些新颖的想法，但他们仍在打一场艰苦的战斗。

取平均值怎么样？

如果接收器和发射器可以在传输之间保持相位锁定，那么对一段时间内的信号求平均有很大帮助的唯一方法。这有助于增加通道中的有效能量，并有助于解决问题 #1。 LoRa 发射器进入休眠状态并使用粗糙的振荡器运行，因此求平均值将一遍又一遍地进行相同的测量。

使用更多网关怎么样？

这绝对有帮助，因为某些接收器具有强直接路径信号的可能性要好得多。如果直接路径信号的功率非常高，则多路径信号对范围区域的影响可以忽略不计。这就是为什么在理想情况下可以实现低于 10m 的精度的原因。大量网关的问题在于，您必须购买并安装大量网关。届时，即使使用廉价网关，系统的成本也可能超过替代方案。

Link Labs 为什么要发布这个？？

Link Labs 本质上是一家工程公司，因此我们的动力更多是解决工程挑战，而不是建立营销炒作。 Link Labs 的一个核心价值是在我们的系统可能实现的功能方面对我们的客户和合作伙伴保持绝对透明。我们相信，通过坦诚面对任何技术的局限性，从长远来看，我们会做得更好。此外，我们经常被问到有关 LoRa 本地化的问题，并强烈认为需要对其商业可行性进行诚实评估。

太好了，但地理定位仍然是 LoRa 杀手级应用。

我们同意！以下是使用 LoRa 的强大功能并将其与本地化相结合的三种方法：

• GPS。 使用 GPS 芯片确定位置，然后通过 LoRa 将其发回。简单。但是，这比本地 LoRa 地理定位更耗电且成本更高，并且只能在室外使用。
• 接近度/RSSI 反向信标。 在这种情况下，端点（如蓝牙发射器）向固定的 LoRa 启用阅读器发送消息。然后该阅读器将信号强度和时间发送回 LoRa 网络。查看 www.AirFinder.com 以获得一个很好的例子。
• 机会信号/PHY 报告。 在这个用例中，LoRa 发射器与 WiFi 基站扫描仪之类的东西配对。端点报告它看到的 WiFi 基站以及 RSSI 是什么。然后使用像 Skyhook 这样的数据库来确定节点的实际位置。

这只是开始！如果您想使用这些技术中的任何一种（或我们尚未想到的其他技术）共同进行室内和室外资产跟踪，请与我们联系。

阅读清单：

本文解决了以上几点（以及更多）。它特别谈到了在 200 kHz 下用 GSM 进行 TDOA 的挑战。

这篇论文在仔细布置整个空间方面做得很好。

本文更侧重于超宽带系统，但提供了一些良好的数学背景。