Localización de LoRa

En Link Labs estamos escuchando un mayor interés en hacer geolocalización “nativa” con LoRa. Esto significaría usar 3 o más puertas de enlace para hacer un cálculo de diferencia de tiempo de llegada (TDOA) en la señal LoRa recibida y calcular la posición. Suena fácil, ¿verdad?

Actualización: Semtech ha anunciado que esta capacidad "ya está disponible", lo que debería resultar muy interesante. Vea este comunicado de prensa.

Actualización n. ° 2: Según este informe sobre localización publicado por Semtech, la tasa de error del 10% para un solo paquete que utiliza 11 puertas de enlace En un entorno urbano se encuentra a poco más de 500 metros. Para dibujar un círculo, su ubicación estará dentro del 90% del tiempo, tendría un poco más de 1 km de diámetro. Para entender por qué, sigue leyendo.

Este es uno de los problemas más difíciles de resolver en radio, y en Link Labs tenemos una amplia experiencia en la construcción de sistemas de localización basados ​​en el “dominio del tiempo”. Si bien reconocemos que las personas y las empresas están entusiasmadas con la perspectiva de la localización nativa de LoRa, nuestra experiencia profesional nos lleva a la conclusión de que la localización precisa utilizando LoRa (o cualquier tecnología de RF de baja potencia, banda estrecha, Sigfox, etc.) es extremadamente difícil o imposible de convertir con éxito en un utilizable enfoque.

Este artículo intentará mantenerse alto nivel:consulte nuestra lista de lectura en la parte inferior si desea profundizar más en los detalles técnicos.

1. Energía de ruta directa

Es bastante sencillo que si desea medir la distancia entre dos puntos, debe medir el camino directo, no uno serpenteante. Una de las mejores características de LoRa es que funciona tan bien en un canal multitrayecto que puede recibir fácilmente la señal después de que atraviesa dos paredes, rebota por el pasillo y sube por el hueco del ascensor. Tenemos un cliente que usa un LoRa Gateway en el cuarto piso, que se comunica con un módulo Symphony Link en el piso 44 del mismo edificio. La señal no está penetrando 40 losas de hormigón de diez pulgadas. Va directo por la ventana, rebota en el edificio al otro lado de la calle y regresa al interior. La longitud de esta ruta es probablemente al menos el doble de la longitud de la ruta directa.

La capacidad de detectar la ruta directa (frente a una señal multitrayecto) es una función de (TIEMPO en el AIRE) x ANCHO DE BANDA x POTENCIA. La señal LoRa tiene un ancho de banda y tiempo en el aire decentes, pero las señales son, por la naturaleza de sus casos de uso y regulaciones, de baja potencia.

Conclusión:A menos que haya una línea de visión casi directa entre el transmisor y el receptor, no hay suficiente energía de canal para detectar la ruta directa, lo que se complica aún más por el hecho de que el "piso de ruido de correlación" (tiempo más débil) señal basada en que es detectable) se eleva por un producto de ancho de banda de tiempo limitado.

2. Resolución de correlación multitrayecto

Este es el problema más grande para LoRa, pero es complicado matemáticamente. Lea la siguiente oración tres veces, hasta que realmente se entienda:

Dígalo de nuevo (x2)…

Déjame darte un ejemplo basado en humanos…. ¿Alguna vez has escuchado un tono fuerte y molesto, como una alarma? Me refiero a un tono que está en una sola frecuencia, como una nota musical aguda. ¿Fue difícil averiguar de dónde venía? Eso es porque su cerebro es extremadamente sofisticado al determinar la diferencia de tiempo de llegada entre sus dos oídos. Así es como se sabe de dónde proviene un sonido. En el caso de este tono de alarma, no tenía idea, porque la señal no tenía suficiente ancho de banda para que sus oídos hicieran una determinación de TDOA. Este es un gran enfoque en la industria de las alarmas de retroceso de camiones y sirenas, ya que se introducen zumbadores y alarmas de banda ancha. Si observa a alguien que escucha tal sonido, moverá la cabeza hacia adelante y hacia atrás para hacer uso de la técnica de localización de "respaldo" que tiene nuestro cerebro, utilizando la forma de nuestra oreja para encontrar la dirección de la señal más fuerte (es decir, ángulo de llegada).

Una señal LoRa estándar tiene 125 kHz de ancho de banda. La relación que gobierna la capacidad de un receptor para recibir una señal con componentes de trayectos múltiples y diferenciar dos longitudes de trayecto diferentes es c / B. (Velocidad de la luz / ancho de banda).

c / 125 kHz =2398 m

Entonces… .Si una estación base LoRa recibe una señal, que tiene un componente de ruta directa (puede ser difícil, vea el n. ° 1) y varias señales de rutas múltiples, será IMPOSIBLE determinar la diferencia a menos que esas rutas tengan más de 2.4 km de diferencia . Por lo tanto, la señal de ruta directa será "arrastrada" por la presencia de todas y cada una de las rutas múltiples.

En esta figura puede ver un cálculo de rango simplificado basado en 2 rutas, una directa y otra reflejada. Dado que la diferencia entre las longitudes de la ruta 1 y la ruta 2 es inferior a 2,4 km, en la correlación para una señal de 125 kHz, la correlación no puede resolverlas por separado y, por lo tanto, las agrupa. Esto tiene el efecto de introducir errores en el cálculo del rango.

Si vuelve a ejecutar este ejemplo pero usa una señal con 10 MHz de ancho de banda, ahora puede resolver diferencias de ruta de más de 30 m. (c / 10Mhz =30m). Suponiendo que 1 y 2 tienen más de 30 m de diferencia de longitud, la función de correlación ahora puede discernir las rutas como discretas y, por lo tanto, el rango calculado está muy cerca del rango real.

En conclusión:para medir el alcance de la radio, necesita suficiente energía en la ruta directa para detectarla y suficiente ancho de banda para determinar qué es una señal reflejada y qué no.

La comunidad 3GPP intentó durante muchos años hacer TDOA de señales GSM, pero se rindió por estas mismas razones. Un transmisor GSM también tiene hasta 2 W y 200 kHz de ancho de banda. Entonces, con más potencia y más ancho de banda, una industria multimillonaria descubrió que no eran rival para la física. Si bien existe la posibilidad de que la comunidad que investiga TDOA con LoRa tenga algunas ideas novedosas, todavía están librando una batalla cuesta arriba.

¿Qué pasa con el promedio?

La única forma en que el promedio de señales a lo largo del tiempo ayuda mucho es si el receptor y el transmisor pueden permanecer bloqueados en fase entre transmisiones. Esto ayuda a aumentar la energía efectiva en el canal y ayuda a resolver el problema n. ° 1. Los transmisores LoRa se suspenden y funcionan con osciladores bruscos, por lo que el promedio sería la misma medida una y otra vez.

¿Qué pasa con el uso de más puertas de enlace?

Esto ayudará absolutamente, porque la probabilidad de que algunos receptores tengan una señal de ruta directa fuerte es mucho mejor. Si la potencia de la señal de trayectoria directa es muy alta, las señales de trayectoria múltiple tienen un efecto insignificante en el área de alcance. Esta es la razón por la que se puede lograr una precisión inferior a 10 m en escenarios ideales. El problema con un montón de puertas de enlace es solo que tienes que comprar e instalar un montón de puertas de enlace. En ese momento, el costo del sistema podría exceder el de las alternativas, incluso con pasarelas económicas.

¿Por qué Link Labs publica esto?

Link Labs es, en el fondo, una empresa de ingeniería y, como tal, nos impulsa más la resolución de desafíos de ingeniería que la creación de publicidad publicitaria. Un valor fundamental en Link Labs es ser absolutamente transparente con nuestros clientes y socios cuando se trata de lo que es posible con nuestros sistemas. Creemos que si somos directos y honestos acerca de las limitaciones de cualquier tecnología, lo haremos mejor a largo plazo. Además, nos preguntan bastante sobre la localización con LoRa y creemos firmemente que se necesita una evaluación honesta con respecto a su viabilidad comercial.

Eso es genial, pero la geolocalización sigue siendo la mejor aplicación de LoRa.

¡Estamos de acuerdo! Aquí hay tres formas de usar el poder de LoRa y combinarlo con la localización:

• GPS. Calcule la posición con un chip GPS y envíela a través de LoRa. Fácil. Sin embargo, esto consume más energía y es más costoso que la geolocalización nativa de LoRa y solo funciona en el exterior.
• Señalización inversa de proximidad / RSSI. En este caso, un punto final (como un transmisor Bluetooth) envía un mensaje a un lector fijo habilitado para LoRa. Luego, este lector envía la intensidad de la señal y el tiempo de regreso a la red LoRa. Visite www.AirFinder.com para ver un buen ejemplo de esto.
• Informe de señal de oportunidad / PHY. En este caso de uso, un transmisor LoRa se empareja con algo así como un escáner de estación base WiFi. El punto final informa qué estaciones base WiFi ve y en qué RSSI. Luego, se usa una base de datos como Skyhook para averiguar dónde está realmente un nodo.

¡Esto es solo el comienzo! Si desea trabajar en conjunto en el seguimiento de activos en interiores y exteriores utilizando alguna de estas técnicas (u otra en la que no hayamos pensado todavía), póngase en contacto.

Lista de lectura:

Este documento aborda los puntos anteriores (y más). Habla específicamente sobre los desafíos de hacer TDOA con GSM a 200 kHz.

Este documento hace un gran trabajo al diseñar cuidadosamente todo el espacio.

Este documento se centra más en los sistemas de banda ultraancha, pero ofrece una buena base matemática.