Localização LoRa

No Link Labs, estamos ouvindo um crescente interesse em fazer geolocalização “nativa” com LoRa. Isso significaria usar 3 ou mais gateways para fazer um cálculo de diferença de tempo de chegada (TDOA) no sinal LoRa recebido e calcular a posição. Parece fácil, certo?

Atualização: A Semtech anunciou que esta capacidade está "agora disponível", o que deve ser muito interessante. Veja este comunicado à imprensa.

Atualização nº 2: De acordo com este relatório de localização divulgado pela Semtech, a taxa de erro de 10% para um único pacote usando 11 gateways em um ambiente urbano é de pouco mais de 500 metros. Para desenhar um círculo, sua localização estará dentro de 90% do tempo, terá pouco mais de 1 km de diâmetro. Para entender o porquê, continue lendo.



Este é um dos problemas mais difíceis de resolver no rádio e, no Link Labs, temos uma vasta experiência na construção de sistemas de localização baseados no “domínio do tempo”. Embora reconheçamos que as pessoas e empresas estão entusiasmadas com a perspectiva da localização LoRa nativa, nossa experiência profissional nos leva à conclusão de que a localização precisa usando LoRa (ou qualquer baixa potência, banda estreita, tecnologia de RF - Sigfox, etc.) é extremamente difícil ou impossível de desenvolver com sucesso em um utilizável aproximação.

Este artigo vai tentar ficar alto nível - consulte nossa lista de leitura na parte inferior se quiser se aprofundar mais nos detalhes técnicos.

1 Energia de caminho direto

É bastante simples que, se você quiser medir a distância entre dois pontos, você deve medir o caminho direto, não um sinuoso. Uma das melhores características do LoRa é que ele funciona tão bem em um canal de caminhos múltiplos, que você pode facilmente receber o sinal depois que ele passa por duas paredes, ricocheteia no corredor e sobe o poço do elevador. Temos um cliente usando um LoRa Gateway no 4º andar, que está se comunicando com um módulo Symphony Link no 44º andar do mesmo prédio. O sinal não está penetrando 40 placas de concreto de dez polegadas. Vai direto para fora da janela, quicando no prédio do outro lado da rua e voltando para dentro. O comprimento desse caminho é provavelmente pelo menos duas vezes o comprimento do caminho direto.

A capacidade de detectar o caminho direto (vs. um sinal de vários caminhos) é uma função de (TEMPO no AR) x LARGURA DE BANDA x POTÊNCIA. O sinal LoRa tem largura de banda e tempo no ar decentes, mas os sinais são, pela natureza de seus casos de uso e regulamentações, com baixo consumo de energia.

Conclusão:A menos que haja uma linha de visão quase direta entre o transmissor e o receptor, não há energia de canal suficiente para detectar o caminho direto, o que é ainda mais complicado pelo fato de que o "piso de ruído de correlação" (tempo mais fraco- sinal com base que é detectável) é elevado por produto de largura de banda de tempo limitado.

2. Resolução de Correlação Multipath

Este é o maior problema para LoRa, mas é complicado matematicamente. Leia a frase a seguir três vezes, até que realmente entre:

Diga de novo (x2) ...

Deixe-me dar um exemplo baseado em humanos…. Você já ouviu um tom alto e irritante, como um alarme? Estou falando de um tom que está em uma única frequência, como uma nota musical aguda. Foi difícil descobrir de onde estava vindo? Isso porque seu cérebro é extremamente sofisticado ao determinar a diferença de tempo de chegada entre suas duas orelhas. É assim que você sabe de onde vem um som. No caso desse tom de alarme, você não tinha ideia, porque o sinal não tinha largura de banda suficiente para seus ouvidos fazerem uma determinação de TDOA. Este é um grande foco na indústria de alarmes de sirenes e caminhões, à medida que campainhas e alarmes de banda larga são introduzidos. Se você observar alguém ouvindo tal som, eles irão balançar a cabeça para frente e para trás para usar a técnica de localização de "back up" que nosso cérebro possui, usando o formato de nossa orelha para encontrar a direção do sinal mais forte (ou seja, ângulo de chegada).

Um sinal LoRa padrão tem 125 kHz de largura de banda. A relação que governa a capacidade de um receptor de receber um sinal com componentes de multicaminho e dizer a diferença entre dois comprimentos de caminho diferentes é c / B. (Velocidade da luz / largura de banda).

c / 125 kHz =2398 m

Então ... Se uma estação base LoRa receber um sinal, que tem um componente de caminho direto (pode ser difícil, consulte # 1) e vários sinais de multipercurso, será IMPOSSÍVEL determinar a diferença, a menos que esses caminhos tenham uma diferença maior que 2,4 km . O sinal de caminho direto será, portanto, “prolongado” pela presença de todo e qualquer multipercurso.



Nesta figura você pode ver um cálculo de intervalo simplificado com base em 2 caminhos, um direto e um refletido. Como a diferença entre os comprimentos do caminho 1 e do caminho 2 é menor que 2,4 km, na correlação para um sinal de 125 kHz, a correlação não pode resolvê-los como separados e, portanto, agrupa-os. Isso tem o efeito de introduzir erro no cálculo do intervalo.

Se você executar este exemplo novamente, mas usar um sinal com 10 MHz de largura de banda, agora você pode resolver diferenças de caminho de mais de 30 m. (c / 10 MHz =30 m). Supondo que 1 e 2 tenham mais de 30m de diferença de comprimento, a função de correlação agora pode discernir os caminhos como discretos e, portanto, o intervalo calculado está muito próximo do intervalo real.

Concluindo:para medir o alcance do rádio, você precisa de energia suficiente no caminho direto para detectá-lo e de largura de banda suficiente para determinar o que é um sinal refletido e o que não é.

A comunidade 3GPP tentou por muitos anos fazer TDOA de sinais GSM, mas desistiu exatamente por esses motivos. Um transmissor GSM também possui largura de banda de até 2W e 200 kHz. Portanto, com mais potência e mais largura de banda, uma indústria multibilionária descobriu que eles não eram páreo para a física. Embora haja uma chance de que a comunidade que está investigando o TDOA com LoRa possa ter algumas ideias novas, eles ainda estão lutando uma batalha difícil.

E quanto à média?

A única maneira de fazer a média dos sinais ao longo do tempo ajudar muito é se o receptor e o transmissor puderem permanecer travados na fase entre as transmissões. Isso ajuda a aumentar a energia efetiva no canal e ajuda a resolver o problema nº 1. Os transmissores LoRa entram em hibernação e funcionam com osciladores irregulares, então a média seria apenas a mesma medição indefinidamente.

Que tal usar mais gateways?

Isso ajudará muito, porque a probabilidade de alguns receptores terem um sinal de caminho direto forte é muito melhor. Se a potência do sinal de caminho direto for muito alta, os sinais de caminhos múltiplos têm um efeito insignificante na área de alcance. É por isso que a precisão abaixo de 10m é alcançável em cenários ideais. O problema com uma tonelada de gateways é apenas isso, você tem que comprar e instalar uma tonelada de gateways. Nesse ponto, o custo do sistema pode exceder o das alternativas, mesmo com gateways baratos.

Por que a Link Labs está publicando isso ??

A Link Labs é, no fundo, uma empresa de engenharia e, como tal, somos motivados mais pela solução dos desafios da engenharia do que pelo entusiasmo do marketing. Um valor fundamental no Link Labs é ser absolutamente transparente com nossos clientes e parceiros quando se trata do que é possível com nossos sistemas. Acreditamos que, sendo francos e honestos sobre as limitações de qualquer tecnologia, faremos melhor no longo prazo. Além disso, somos questionados sobre a localização com a LoRa e sentimos fortemente que uma avaliação honesta em relação à sua viabilidade comercial é necessária.

Isso é ótimo, mas a geolocalização ainda é o aplicativo LoRa matador.

Nós concordamos! Aqui estão três maneiras de usar o poder do LoRa e combiná-lo com a localização:

• GPS. Descubra a posição usando um chip GPS e envie-o de volta via LoRa. Fácil. No entanto, isso consome mais energia e é mais caro do que fazer geolocalização LoRa nativa e só funciona do lado de fora.
• Sinalização reversa de proximidade / RSSI. Nesse caso, um terminal (como um transmissor Bluetooth) envia uma mensagem para um leitor fixo habilitado para LoRa. Este leitor então envia a força do sinal e o tempo de volta para a rede LoRa. Confira www.AirFinder.com para um bom exemplo disso.
• Sinal de oportunidade / relatório PHY. Neste caso de uso, um transmissor LoRa é emparelhado com algo como um leitor de estação base WiFi. O ponto de extremidade relata quais estações base WiFi ele vê e em qual RSSI. Em seguida, um banco de dados como o Skyhook é usado para descobrir onde um nó realmente está.

Este é apenas o começo! Se você deseja trabalhar em conjunto no rastreamento de ativos internos e externos usando qualquer uma dessas técnicas (ou outra que ainda não tenhamos pensado), entre em contato.

Lista de leitura:

Este documento aborda os pontos acima (e mais). Ele fala especificamente sobre os desafios de fazer TDOA com GSM a 200 kHz.

Este artigo faz um ótimo trabalho ao planejar cuidadosamente todo o espaço.

Este artigo concentra-se mais em sistemas de banda ultralarga, mas oferece uma boa base matemática.