LoRaローカリゼーション

Link Labsでは、LoRaを使用して「ネイティブ」ジオロケーションを行うことへの関心が高まっていると聞いています。これは、3つ以上のゲートウェイを使用して、受信したLoRa信号の到着時間差（TDOA）を計算し、位置を計算することを意味します。簡単そうに聞こえますか？

更新： Semtechは、この機能が「利用可能になりました」と発表しました。これは非常に興味深いことです。このプレスリリースをご覧ください。

更新＃2： Semtechがリリースしたローカリゼーションに関するこのレポートによると、 11個のゲートウェイを使用した単一パケットのエラー率は10％です。 都市環境では500メートル強です。円を描くには、あなたの場所は時間の90％以内になり、直径は1km強になります。理由を理解するには、読み続けてください。

>

これは、ラジオで解決するのが最も難しい問題の1つであり、Link Labsでは、「時間領域」ベースのローカリゼーションシステムの構築に豊富な経験があります。人々や企業がネイティブLoRaローカリゼーションの可能性に興奮していることは認識していますが、専門知識により、LoRa（または低電力、狭帯域、RFテクノロジー-Sigfoxなど）を使用した正確なローカリゼーションは非常に困難であるという結論に至ります。 使用可能にうまく発展させることは不可能です アプローチ。

この記事は高い位置に留まろうとしていますレベル-技術的な詳細について詳しく知りたい場合は、下部にある読書リストをご覧ください。

1。ダイレクトパスエネルギー

2点間の距離を測定する場合は、曲がりくねった経路ではなく、直接経路を測定する必要があることはかなり簡単です。 LoRaの最も優れた機能の1つは、マルチパスチャネルで非常に優れているため、2つの壁を通過し、ホールを跳ね返り、エレベータシャフトを上った後でも信号を簡単に受信できることです。同じ建物の44階にあるSymphonyLinkモジュールと通信している4階にLoRaゲートウェイを使用しているお客様がいます。信号は、コンクリートの40個の10インチスラブを透過していません。窓の外に出て、通りの向こう側の建物に跳ね返り、中へと戻ります。このパスの長さは、おそらく直接パスの長さの少なくとも2倍です。

ダイレクトパス（マルチパス信号に対して）を検出する機能は、（TIME on AIR）x BANDWIDTH xPOWERの関数です。 LoRa信号には適切な帯域幅と放送時間がありますが、信号はその使用例と規制の性質上、電力が低くなっています。

結論：送信機と受信機の間にほぼ直接の見通し線がない限り、直接経路を検出するのに十分なチャネルエネルギーがありません。これは、「相関ノイズフロア」（最も弱い時間-検出可能なベースの信号）は、限られた時間帯域幅の積によって上昇します。

2。マルチパス相関の解決

これはLoRaにとってより大きな問題ですが、数学的には複雑です。次の文章を、実際に沈むまで3回読んでください。

もう一度言ってください（x2）…

人間ベースの例を挙げましょう…。目覚ましのような大きくて迷惑な音を聞いたことがありますか？高音の音符のように、単一の周波数の音について話します。それがどこから来たのか理解するのは難しかったですか？これは、2つの耳の到着時間の差を判断するときに、脳が非常に洗練されているためです。これが、音がどちらの方向から来ているかを知る方法です。このアラーム音の場合、耳がTDOAを決定するのに十分な帯域幅が信号になかったため、わかりませんでした。ブロードバンドブザーとアラームが導入されているため、これはサイレンとトラックのバックアップアラーム業界で大きな焦点となっています。誰かがそのような音を聞いているのを見ると、彼らは頭を前後に揺らして、私たちの脳が持っている「バックアップ」ローカリゼーション技術を利用し、耳の形を使って最も強い信号の方向（つまり、到着角度）を見つけます。

標準のLoRa信号の帯域幅は125kHzです。マルチパスコンポーネントを含む信号を受信し、2つの異なるパス長の違いを伝える受信機の能力を支配する関係はc / Bです。 （光速/帯域幅）。

c / 125 kHz =2398 m

したがって、LoRa基地局がダイレクトパスコンポーネント（難しい場合があります。＃1を参照）と複数のマルチパス信号を含む信号を受信した場合、それらのパスの差が2.4kmを超えない限り、差を判別することはできません。 。したがって、ダイレクトパス信号は、すべてのマルチパスの存在によって「長く引っ張られ」ます。

この図では、2つのパスに基づく簡略化された範囲計算を見ることができます。1つは直接、もう1つは反射です。パス1とパス2の長さの差は2.4km未満であるため、125 kHz信号の相関では、相関はそれらを別々に解決できず、したがってそれらをグループ化します。これには、範囲の計算にエラーが発生する効果があります。

この例を再実行しても、帯域幅が10 MHzの信号を使用すると、30mを超えるパスの違いを解決できるようになります。 （c / 10Mhz =30m）。 1と2の長さの差が30mを超えると仮定すると、相関関数はパスを離散として識別できるようになり、計算された範囲は実際の範囲に非常に近くなります。

結論：無線範囲を測定するには、直接経路でそれを検出するのに十分なエネルギーが必要であり、反射信号とそうでない信号を解決するのに十分な帯域幅が必要です。

3GPPコミュニティは、長年にわたってGSM信号のTDOAを実行しようとしましたが、これらの理由で諦めました。 GSM送信機も最大2Wおよび200kHzの帯域幅です。したがって、より多くの電力とより多くの帯域幅を使用することで、数十億ドル規模の業界は、それらが物理学に匹敵するものではないことに気づきました。 LoRaを使用してTDOAを調査しているコミュニティは、いくつかの斬新なアイデアを持っている可能性がありますが、それでも困難な戦いを続けています。

平均化はどうですか？

時間の経過とともに信号を平均化する唯一の方法は、受信機と送信機が送信間で同相のままでいることができるかどうかです。これは、チャネルの有効エネルギーを増やすのに役立ち、問題＃1を解決するのに役立ちます。 LoRa送信機はスリープ状態になり、大まかな発振器で動作するため、平均化は何度も同じ測定値になります。

より多くのゲートウェイを使用するのはどうですか？

一部の受信機が強力なダイレクトパス信号を持っている可能性がはるかに高いため、これは絶対に役立ちます。ダイレクトパス信号のパワーが非常に高い場合、マルチパス信号が範囲領域に与える影響はごくわずかです。これが、理想的なシナリオで10m未満の精度を達成できる理由です。大量のゲートウェイの問題は、大量のゲートウェイを購入してインストールする必要があるということです。その時点で、システムのコストは、安価なゲートウェイを使用した場合でも、代替のコストを超える可能性があります。

LinkLabsがこれを公開しているのはなぜですか??

Link Labsは、本質的にエンジニアリング会社であり、そのため、マーケティングの誇大宣伝を構築することよりも、エンジニアリングの課題を解決することによって推進されています。 Link Labsのコアバリューは、システムで可能なことに関して、お客様やパートナーに対して完全に透過的であることです。私たちは、テクノロジーの限界について率直かつ正直であることにより、長期的にはより良い結果が得られると信じています。さらに、LoRaを使用したローカリゼーションについてかなりの質問を受け、その商業的実行可能性に関する正直な評価が必要であると強く感じています。

それは素晴らしいことですが、ジオロケーションは依然としてキラーLoRaアプリです。

賛成です！ LoRaのパワーを使用し、それをローカリゼーションと組み合わせる3つの方法を次に示します。

• GPS。 GPSチップを使用して位置を把握し、LoRa経由で返送します。簡単。ただし、これはネイティブのLoRaジオロケーションを行うよりも電力を消費し、費用がかかり、屋外でのみ機能します。
• 近接/ RSSI逆ビーコン。 この場合、エンドポイント（Bluetoothトランスミッターなど）は、固定のLoRa対応リーダーにメッセージを送信します。次に、このリーダーは信号強度と時間をLoRaネットワークに送り返します。この良い例については、www.AirFinder.comをチェックしてください。
• 機会の合図/ PHYレポート。 この使用例では、LoRa送信機はWiFi基地局スキャナーのようなものとペアになっています。エンドポイントは、どのWiFi基地局とどのRSSIを認識しているかを報告します。次に、Skyhookのようなデータベースを使用して、ノードが実際にどこにあるかを把握します。

これはほんの始まりです！これらの手法（またはまだ考えていない手法）のいずれかを使用して、屋内と屋外の資産追跡に協力したい場合は、ご連絡ください。

読書リスト：

このホワイトペーパーでは、上記の点（およびそれ以上）について説明します。具体的には、200kHzでGSMを使用してTDOAを実行する際の課題について説明しています。

このペーパーは、スペース全体を注意深くレイアウトするのに最適です。

このペーパーは、超広帯域システムに焦点を当てていますが、いくつかの優れた数学的背景を提供します。