LoRa核心定位技术

更新时间:2022-11-09
       LoRa是一种底层的调制技术,其主要作用是物联网通信。不过,许多LoRa从业人员也使用LoRa作为定位的手段。毕竟物联网,总要知道“物”在哪里。LoRa应用于定位技术手段非常有限,主要是通过基站定位、测距定位和配套其他技术定位三种方法实现。

一、LoRa的基站定位技术

       LoRa基站定位有两类方式:一类是单基站区域定位;另一类是多基站到达时间差或信号强度定位。LoRa基站定位一定是在一个大的LoRaWAN系统中的,保证有多个LoRa室外基站且一定区域全覆盖的应用场景,如果有室内网关,则有促进效果。

1.单基站区域定位

       单基站区域定位很简单,如图8-38所示,每个建站都有自身的一个覆盖范围(蜂窝六边形)。当一个LoRa设备与基站(基站)进行通信时,可能一个或多个LoRa基站收到该终端设备的信号。NS会判断出这些基站中RSSI最强的一个,并要求该基站进行下行通信。因此可知该LoRa设备距离最近的基站,就在这个基站覆盖的蜂窝六边形内。
单基站区域定位示意图
图8-38   单基站区域定位示意图
 
       单基站定位方案非常简单,不需要经过计算,缺点是精度很差,尤其在城市环境中信号的绕射严重,接收信号最强的网关不一定是距离最近。在有室内网关接收到该设备信号时,定位相对更准确,因为室内网关覆盖范围较小。

2.多基站定位

       到达时间差(TimeDifferenceofArrival,TDOA)定位和信号强度(Received Signal Strength Indication,RSSI)定位非常类似,都是通过评估LoRa设备与几个基站的相对距离(至少三个基站)。到达时间差是通过多个基站接收到的时间差转化为距离差,Δtc=Δd。时间差乘以光速等于距离差,在已知所有基站的准确地理坐标后,通过等差半径圆形的平面几何的计算,可以算出相对位置。图8-39所示为三个基站的定位图和几何图。
 TDOA定位图和几何图
图8-39   TDOA定位图和几何图
       RSSI的定位方式与TDOA基本相同,当一个设备信号进入多个基站透传到NS后,NS会得到每个基站解调该定位设备的RSSI。在8.1节中我们学习了射频信号传播时会发生损耗,传播越远损耗越大,则接收到的RSSI越小。通过多个RSSI的差值,可以反算出该定位设备距离不同网关的相对距离比例。由于已经知道了几个网关的准确地理坐标,通过等比半径圆形的平面几何计算,可以算出相对位置。用于TDOA定位的LoRa基站为4.3.1小节中介绍的带有FPGA和DPS的V2.1(E467)网关,其外部DSP可以提供精度更高的时间戳数据,这是因为SX1301内部的时间戳误差很大约为8μs。
        影响定位的因素有两方面,分别是外部因素和内部因素。
     (1)外部因素指的是定位时周围的环境,比如在城市中有较多高楼对信号造成遮挡,从而影响电磁波的直线传播。TDOA和RSSI定位算法都是通过直线最短的方案计算的,当发生反射、绕射等情况时,计算结果会出现较大误差。相对而言,城市的多径和衰落对LoRa信号强度的影响更大,对到达时间影响相对较小。环境因素(470MHzLoRa)对于定位精度影响很大:在城市中,TDOA定位误差影响为100~500m;RSSI定位误差影响150~1000m。在农田或草原地区TDOA定位误差影响为30~100m;RSSI定位误差影响50~300m。
     (2)内部因素指LoRa基站在接收终端设备的信号时,时间戳的精度和解调信号强度的精度。TDOA在定位时,终端LoRa信号飞行到不同基站的时间差精度决定了系统的精度。当LoRa信号进入基站后,基站会在收到的刹那打上时间戳,并传到NS。基站内部的时钟是通过GPS授时的,其GPS时钟精度为1ns级别。我们可以简单计算一下,光速为3×108m/s,1ns时间光传播0.3m,GPS授时对定位误差影响非常小。但是V2.1网关的时间戳的误差为1μs,意味着TDOA误差有300m。这里给大家普及一下GPS授时的精度和网关时间戳的精度的问题:类比于人拿着秒表,对100m赛跑运动员进行计时,虽然你拿的秒表精度为1ms,但人按下秒表的误差为100ms,那么100m赛跑的计时精度为100ms。此例子中的秒表精度类比为GPS授时精度;而计时员掐表的动作精度类比于网关打下时间戳的精度。对于RSSI定位,内部因素为接收机对信号强度的解调,由于信道中有各种干扰信号,相干解调后的LoRa信号强度也会有2~3dB的偏差,在远距离通信中,2~3dB的距离差距占30%左右。
       表8-6是在深圳进行的一次LoRa多基站定位测试结果。测试地点在深圳南山区,基站布置也非常密集,平均基站距离500m。测试方法为多点对比GPS位置信息,并多次取平均值。
表8-6    多基站定位实测数据
多基站定位实测数据
        从数据中可以看出,使用越多的基站参与定位,其系统精度越好。上述RSSI测试误差在预料范围之内,采用470MHz频段在大城市的中心区进行RSSI定位,其精度很难提升。TDOA精度较差的主要原因是网关的时间戳的误差大以及深圳市区的高楼建筑太密集,这样的系统误差很难实现较高精度的定位。采用LoRa的TDOA定位,在空旷的农田和原野中测试的平均定位误差为150m,在一般城市中的误差为 250m。
       从内部因素考虑,时间戳精度问题是因为SX1301芯片在设计之初并没有考虑定位的需求,其时间戳是为了实现LoRaWAN协议中下行数据的定时器。相信Semtech公司后续开发的LoRa网关芯片可以具有高精度的时间戳功能。
 
注意:在多基站定位时,测距设备一般不要打开ADR功能,尽量让更多的基站接收到它的数据,越多的基站参与定位,其定位精度越好,系统误差越小。

二、LoRa测距定位技术

        LoRa的2.4GHz芯片具有飞行时间(TimeofFlight,TOF)测距功能,当使用三个SX1280芯片作为网关时,一个终端节点可以分别与这三个网关进行通信和测距。其中网关作为主机,终端作为从机,三个网关把测距的结果传到后台,后台知道这三个网关的位置,通过计算可以得到终端节点的位置。这种测距方法也叫作到达时间测距法(TimeofArrival,TOA)。
       采用SX1280的LoRa芯片进行TOF方式测距,在没有遮挡的环境中可以做到米级的精度,室外工作距离范围为20~2000m。
       当然SX1280定位缺点也很明显,由于该系统不具备LoRaWAN网关的协同接收功能,每次定位,该终端节点必须与多个网关进行通信,既消耗了时间也增加了功耗。同样,网关也要不停地忙碌于选择需要定位的终端,多次TOF定位,其信道容量非常小。由于使用的是2.4GHz频率,在城市内干扰也很多,信道占用率很高。再加上2.4GHz波长短,绕射能力差,在复杂室外环境中传播距离受限。
       所以一般情况下基于LoRa 2.4GHz芯片的定位虽然精度好,只应用于工业、矿井、隧道和室内及园区的场景中,对于较大范围的定位应用非常吃力。

三、LoRa配合其他定位技术

       LoRa天生是一个通信技术,在定位上可以与其他的技术相结合。传统的定位技术有全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)定位和Wi-Fi、蓝牙定位。
        当LoRa技术与上述技术结合后,可以将采集到的GNSS信息或Wi-Fi和蓝牙ID通过LoRa传输到后台,后台经过计算或数据库查询得知该设备的位置。与手机结合GNSS、Wi-Fi、蓝牙定位的原理大同小异。只是采用LoRa技术后为了减少功耗,对GNSS、Wi-Fi、蓝牙的定位软、硬件进行了优化,不再具有发射模式,且LoRa向后台传输的数据包也进行了缩减。图8-40为一些LoRa定位终端的说明书。有的设备为了省电,增加了MEMS器件。只有当设备震动时才发起定位,因为没有震动发生该设备的位置不会发生变化。通过这样的方式可以延长设备的寿命。
 LoRa定位终端说明书
图8-40   LoRa定位终端说明书
        在定位领域只是凭借LoRa是不够的,需要配合其他多种技术。图8-41所示为Semtech公司专门开发的一款集成了GNSS和Wi-Fi探针功能的LoRa芯片LR1110(LoRaEdge),主打低功耗定位,支持室内外的方式定位。截至2020年4月这款芯片发布时,LR1110比市场上所有GNSS定位芯片的功耗都低很多,在定位领域具有绝对的低功耗优势。
Semtech最新定位芯片LR1110
图8-41  Semtech最新定位芯片LR1110
 

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