Wie funktioniert die Ortung bei LoRa? Als Schmalband-Funktechnologie nutzt LoRa die Zeitdifferenz der Ankunft (Time Difference of Arrival, TDOA), um eine geografische Ortung zu erreichen. Laut Machina Research wird es bis Ende 2020 mehr als 1,5 Milliarden vernetzte Geräte im Internet der Dinge geben. Etwa ein Drittel davon wird in hohem Maße auf geografische Daten angewiesen sein, und 60% der Anwendungen werden voraussichtlich geografische Daten enthalten. Dies gilt insbesondere für Anwendungen wie die Bestandsverfolgung. Schauen wir uns einmal an, wie dies umgesetzt wird.
1. Das Prinzip der LoRa-Ortung
Um zu verstehen, wie LoRa-Ortung Damit dies funktioniert, muss man sich die einzelnen Schritte der Datenübertragung vom Endknoten zum Server ansehen. Die Voraussetzung dafür ist LoRa-Ortung Das bedeutet, dass alle Basisstationen oder Gateways eine gemeinsame Zeitbasis haben, was sehr wichtig ist.
Wenn ein LoRaWAN-Endgerät ein Datenpaket sendet, wird dieses von allen Gateways innerhalb der Netzwerkreichweite empfangen, und jedes Paket wird an den Netzwerkserver gemeldet. Alle Gateways funktionieren gleich: Sie empfangen jederzeit Signale mit allen Datenraten auf allen Kanälen. Das bedeutet, dass für LoRa-Endgeräte kein Mehraufwand entsteht, da sie nicht nach einem bestimmten Gateway suchen und eine Verbindung zu diesem herstellen müssen. Der Sensor wird einfach aktiviert, sendet ein Paket, und alle Gateways innerhalb der Netzwerkreichweite können es empfangen.
Alle Gateways leiten die empfangenen Pakete unverändert an den Netzwerkserver weiter und erfassen dabei die Ankunftszeiten mit hoher Genauigkeit mithilfe spezieller Hardware und Software, die in die Gateways der neuesten Generation integriert ist. Algorithmen auf dem Netzwerkserver vergleichen Ankunftszeit, Signalstärke, Signal-Rausch-Verhältnis und andere Parameter, um den wahrscheinlichsten Standort des Endknotens zu berechnen. Für die Zukunft erwarten wir, dass hybride Datenfusionstechnologie und Verbesserungen beim Kartenabgleich dazu beitragen werden, die Ankunftszeitdifferenzen zu verringern und die Ortungsgenauigkeit zu erhöhen.
Um eine genauere Standortbestimmung zu ermöglichen, müssen mindestens drei Gateways die Pakete empfangen. Eine größere Anzahl von Gateways und ein dichteres Netzwerk verbessern die Ortungsgenauigkeit und die Kapazität. Denn wenn mehr Gateways dasselbe Paket empfangen, erhält der Serveralgorithmus mehr Informationen, wodurch sich die Genauigkeit der Standortbestimmung verbessert.
Im Inneren des LoRa-Gateways ist eine neue Hardware-Generation erforderlich, um bestimmte Parameter zu berechnen, die bei der Geolokalisierung zum Einsatz kommen, wie beispielsweise die hochpräzise Ankunftszeit. Semtech hat Anfang 2016 ein Referenzdesign für die neue Version des Gateways entwickelt, das in vielen Gateways erfolgreich implementiert wurde. Das Referenzdesign umfasst die erforderlichen hochwertigen Zeitstempel-Funktionen und steht autorisierten Gateway-Partnern zur Verfügung. Dadurch wird sichergestellt, dass Lösungen verschiedener Anbieter konsistent zusammenarbeiten, um hochwertige Zeitstempel zu liefern, was Geolokalisierungsdienste von höchster Qualität ermöglicht.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Standortbestimmung vollständig von der Gateway- und Netzwerktechnologie abhängt. Sobald also das Gateway aktualisiert wurde, steht die Standortbestimmung allen Geräten zur Verfügung.
Semtech stellt zudem ein Programm zur Standortbestimmung bereit. Der allgemeine Solver ist keine dedizierte Anwendung und unabhängig vom Endknoten, was einen guten Einstieg in LoRa-Standortbestimmungsdienste bietet. Darüber hinaus wurde eine API definiert, die es Systemintegratoren ermöglicht, Algorithmen von Drittanbietern zu nutzen, um die verfügbare Positionsgenauigkeit zu verbessern. Durch dieses offene Modell fördert Semtech Innovation und die Entwicklung von Lösungstechnologien, um eine kontinuierliche Verbesserung der LoRaWAN-basierten Geolokalisierung sicherzustellen.
Wenn ein Paket das Gateway erreicht, weiß dieses nicht, von welchem Endgerät das Paket stammt. Daher versieht das Gateway jedes empfangene Paket mit einem Zeitstempel und leitet es an den Server weiter. Da der Zugriff auf Geolokalisierungsdienste wertvoll ist, werden diese Zeitstempel im Gateway durch Verschlüsselung geschützt. Der Zeitstempel wird an den Netzwerkserver übertragen, und Semtech erteilt dem Netzwerkanbieter die Berechtigung zur Entschlüsselung. Der Webserver-Anbieter kann die Daten je nach gebuchtem Servicelevel entschlüsseln.
Eine der größten Herausforderungen bei der Bereitstellung einer guten Standortabdeckung ist die Reduzierung von Mehrwegausbreitung. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, gelangen einige Datenpakete direkt zum Gateway, andere nicht, weisen jedoch ein reflektiertes Signal auf, und bei wieder anderen Datenpaketen treten beide Situationen auf. Die Reduzierung von Mehrwegausbreitung durch eine erhöhte Anzahl von Paketübertragungen kann über mehr Kanäle, mehr Gateways, mehr Antennen sowie durch den Einsatz von maschinellem Lernen oder statistischen Verfahren erfolgen.
2. Merkmale der LoRa-Ortung
LoRa Geolocation ist eine GPS-unabhängige Lösung für Low-Power-Wide-Area-Netzwerke. Als wesentliche Erweiterung der drahtlosen LoRa-HF-Plattform ermöglicht die LoRa-Geolokalisierungslösung von Semtech den Einsatz in Anwendungen, bei denen die Standortbestimmung als Teil einer Gesamtlösung erforderlich ist.
Diese neue Funktion wird von bestehenden LoRa-Endknoten unterstützt, wodurch zusätzliche Kosten entfallen und keine zusätzliche Rechenleistung erforderlich ist, während gleichzeitig ein optimales Maß an Daten- und Standort-Sicherheit gewährleistet bleibt.
LoRaWAN™-Sensoren können nun Ortungsanwendungen unterstützen, indem sie mithilfe der Zeitdifferenz-Technologie den Standort in der näheren Umgebung ermitteln.
geringster Stromverbrauch
· Keine Verarbeitung von Positionsaufgaben im Sensor
· Zum Senden von Standortdaten ist keine “Verbindungszeit” erforderlich
· Möglichkeit, für die Geolokalisierung möglichst kleine LoRaWAN-Pakete zu verwenden
niedrigste Kosten
· Der Sensor enthält weder GNSS noch sonstige Hardware
· Kleinere Batterie, da kein Strom für den Sensor zur Positionsbestimmung benötigt wird
· Mindestgröße, einschließlich Elektronik, Akku und Gehäuse
minimale Umweltbelastung
· Die Sensorhardware (einschließlich elektronischer Bauteile, Batterie, Gehäusegröße usw.) auf ein Minimum reduzieren
· Viele Sensoren sind mit einer Batterie mit lebenslanger Lebensdauer ausgestattet
3. Einstellbare Parameter der LoRa-Ortung
Frequenzdiversität: Durch die Wiederholung einer Nachricht auf allen verfügbaren Kanälen werden die Ergebnisse der Geolokalisierung um durchschnittlich 50% verbessert. Ein statischer Endknoten, der in einem Netzwerk mit 8 Kanälen arbeitet, verbessert seine Ergebnisse um 50%, indem er 8 Pakete auf 8 verschiedenen Kanälen sendet.
Die Form des Gateway-Netzes. Die Auswirkungen des Gateway-Netzes belaufen sich auf etwa 25%. Ein langes, feines Netz schneidet bei 25% schlechter ab als ein quadratisches Netz. Daher sollte bei der Netzwerkbereitstellung so weit wie möglich darauf geachtet werden, die Gateways in einem quadratischen Muster zu platzieren.
Gateway-Diversität: Generell gilt: Je mehr Gateways das Signal empfangen, desto genauer sind die Ergebnisse. Ab mehr als 6 Gateways werden die Verbesserungen bei der Geolokalisierung jedoch immer weniger spürbar. Bei 3 bis 4 Gateways ergibt sich eine Verbesserung von etwa 25%, und ab 4 Gateways nimmt die Verbesserung der geografischen Ortung allmählich ab.
Die Antennendiversität wirkt sich am stärksten auf die schwächsten Signale aus. Befindet sich ein Gerät also an einem Standort mit gutem Empfang über drei Gateways und wird ein viertes, schwächeres Gateway hinzugefügt, sorgt die Antennendiversität in der Regel dafür, dass die über das vierte Gateway empfangenen Pakete von „nicht verfügbar“ auf „verfügbar“ wechseln. In diesem Fall kann dies zu einer Standortverbesserung von 25% führen.
Dies ist die Einleitung zum Thema " LoRa-Ortung “Ich hoffe, das ist hilfreich für Sie! LoRa ist eine der LPWAN-Kommunikationstechnologien. Es handelt sich um eine Lösung für die drahtlose Übertragung über extrem große Entfernungen, die auf der Spread-Spectrum-Technologie basiert und von der amerikanischen Firma Semtech entwickelt und gefördert wird. Diese Lösung hebt den bisherigen Kompromiss zwischen Übertragungsreichweite und Stromverbrauch auf und bietet Anwendern ein einfaches System, das große Reichweiten, lange Batterielaufzeiten und hohe Kapazitäten ermöglicht und damit den Einsatz von Sensornetzwerken erweitert. Derzeit wird LoRa weltweit hauptsächlich in freien Frequenzbändern betrieben, darunter 433, 868 und 915 MHz.“.
