LoRaWAN介绍10 定位

“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”–《青玉案·元夕》

 

无论是追踪老人、小孩和宠物，还是查找资产和贵重物品，节点定位是物联网中高附加值的应用。LoRa宣称，使用3个或多个Gateway而产生TDOA（Time Difference of Arrival，到达时间差）能实现“不依赖其他设备”定位。

本文一起来分析下定位的原理和基于LoRa可能的方案。

1 一个TDOA的故事

在大街上行走的人们，很容易探测警笛（119火警、120救护）声音的来源，会下意识地给该车辆让道。为什么呢？人类的身体很奇妙，该声音有较高的带宽（长音和短音结合），当它们传入2只耳朵后有时间差，我们“精密尖端”的大脑能根据该时间差，准确计算出声音的来源。

然而，当一种低带宽的声音，比如：刀在玻璃上刻划的尖锐声，我们很难定位该声音（更准确地说是听起来很难受）。

该故事说明一个道理：TDOA定位与带宽有紧密的关系。

2  LoRa目前定位精度

下图是Semtech发布的定位测试报告，使用了11个Gateway和42个测试点，可以看到在城市环境中，达到90%概率的正确定位（错误率为10%）误差达到500米。换一句话说，90%的情况下LoRa的定位范围是一个半径为500米的圆。

3 直线距离定位

很明显，测量2点之间的距离是指直线距离。无线电测量直线距离基于如下因素：空中时间×带宽×功率。

LoRa信号有较长的空中时间（传输速率较低），125kHz的带宽还过得去，但是它功率太低了。因为扩频调制带来的高接收灵敏度，使它能接收低于-142dBm的信号，然而，如此微弱的能量不足以计算直线距离。

经常测试LoRa信号会发现，它的RSSI值在远距离下，偏差很大，主要是因为接收功率太小，很难精准计算。

4 区分多径传播

因为障碍物的存在，无线电信号是往往是多径传播，要准确地定位，就必须区分直线信号和反射信号。如下图所示，发射与接收者之间的距离是1号路径，因为有墙壁的阻隔，无线信号是按2号路径反射传播。这就要求接收者能有效区分多径信号，才能准确定位。

区分多径信号的因素是带宽，接收者能计算路径差异=光速/带宽。

例如，LoRaWAN中，信号标准带宽是125kHz，路径差异=(3×10⁸)/(125×10³)，即2400米。

如果LoRa Gateway接收一个信号，仅当直线传播和非直线传播（反射、折射和散射等）的路径差异达到2400米，它才能区分这些信号。

带宽与定位精度的实例，如下图所示。

左图，带宽为125kHz，路径差异=2400米。设路径1（直射）和路径2（反射）之间的差异小于2400米，由直射和反射传播组合的信号，接收者无法区分，因此计算距离出现较大的误差。

右图，带宽为10MHz，路径差异=30米。设路径1（直射）和路径2（反射）之间的差异大于30米，由直射和反射传播组合的信号，接收者可以区分，因此计算距离出现极小的误差。

小结：

LoRa因为超低功耗，难以计算直射距离；

LoRa因为较低带宽，难以区分多径传播。

 

5 可能的突破点

5.1 平均功率

如果长时间的统计发射与接收方之间的功率，那么可以较精确地取得平均功率，这对于计算距离很有帮助。然而，LoRa为了取得低功耗，节点往往短暂发射，尽可能长地休眠，并且低精度的晶振（LoRa推荐使用低成本XTAL，高品质的可能使用TCXO），让平均功率统计变得不容易。

5.2 多网关

确实，在多网关的应用场景中，隔节点近的网关，它能接收非常强的直射传播信号，那么微弱的多径传播信号就变得微不足道了，这就可能较精确地计算定位。

然而，这种方案是建立在布置大量网关的基础上，它的弊端是高成本。即使网关再便宜（其实不便宜），这种定位方案的整体成本会高出其他“替代方案”。

6 目前可行方案

鉴于定位在物联网中的重要性，LoRa能结合以下方法。

6.1  GPS

在节点上安装GPS模块，这是传统的定位方法，优点是简单；缺点是：耗电，高成本，仅能工作在室外。

6.2  RSSI

在这种方案中，有一个信号发射器（如：蓝牙、红外、RFID等），带有接收器的LoRa节点会发送RSSI和时间值给服务器，服务器计算出该LoRa 节点的位置。

6.3 热点地标

在这种方案中，LoRa节点绑定WiFi扫描器，该扫描器能得知附近WiFi热点的ID和RSSI，服务器根据这些值和像Skyhookis之类的数据库，计算该LoRa节点的位置。

7 延伸阅读

1. 介绍在GSM的200kHz带宽下TDOA定位的挑战：http://cs.gmu.edu/~iyoun/geo/pdf/qi_thesis.pdf

2. 介绍无线定位的基础，策略和误差：

http://faculty.poly.edu/~tsr/wp-content/uploads/CV/ICP/1997-05-Wireless%20Position%20Location-%20Fundamentals,%20Implementation%20Strategies,%20and%20Sources%20of%20Error.pdf

3. 介绍UWB超带宽定位技术和产品：

http://thetoolchain.com/mirror/dw1000/uwb_wireless_positioning_systems_technical_report.pdf