LoRa Localisation

Chez Link Labs, nous entendons un intérêt accru pour la géolocalisation « native » avec LoRa. Cela signifierait utiliser 3 passerelles ou plus pour effectuer un calcul de différence de temps d'arrivée (TDOA) sur le signal LoRa reçu et calculer la position. Cela semble facile, n'est-ce pas ?

Mise à jour : Semtech a maintenant annoncé que cette capacité est « maintenant disponible », ce qui devrait s'avérer très intéressant. Voir ce communiqué de presse.

Mise à jour n°2 : Selon ce rapport sur la localisation publié par Semtech, le taux d'erreur de 10 % pour un seul paquet utilisant 11 passerelles en milieu urbain est d'un peu plus de 500 mètres. Pour tracer un cercle, votre emplacement sera dans 90 % du temps, il ferait un peu plus de 1 km de diamètre. Pour comprendre pourquoi, continuez à lire.

C'est l'un des problèmes les plus difficiles à résoudre en radio, et chez Link Labs, nous avons une vaste expérience dans la construction de systèmes de localisation basés sur le « domaine temporel ». Bien que nous reconnaissions que les gens et les entreprises sont enthousiasmés par la perspective de la localisation native de LoRa, notre expertise professionnelle nous amène à la conclusion qu'une localisation précise à l'aide de LoRa (ou de toute technologie basse puissance, bande étroite, RF - Sigfox, etc.) est extrêmement difficile ou impossible de réussir à devenir un utilisable approche.

Cet article va essayer de rester haut niveau - veuillez consulter notre liste de lecture en bas si vous souhaitez approfondir les détails techniques.

1. Énergie de chemin direct

Il est assez simple que si vous voulez mesurer la distance entre deux points, vous devez mesurer le chemin direct, pas un méandre. L'une des meilleures caractéristiques de LoRa est qu'il fonctionne si bien dans un canal à trajets multiples que vous pouvez facilement recevoir le signal après avoir traversé deux murs, rebondi dans le couloir et dans la cage d'ascenseur. Nous avons un client utilisant une passerelle LoRa au 4ème étage, qui communique avec un module Symphony Link au 44ème étage du même bâtiment. Le signal ne pénètre pas dans 40 dalles de béton de 10 pouces. Il passe directement par la fenêtre, rebondit sur le bâtiment de l'autre côté de la rue et retourne à l'intérieur. La longueur de ce chemin est probablement au moins le double de la longueur du chemin direct.

La capacité de détecter le chemin direct (par rapport à un signal multichemin) est fonction de (TEMPS sur AIR) x BANDE PASSANTE x PUISSANCE. Le signal LoRa a une bande passante et un temps d'antenne décents, mais les signaux sont, de par la nature de leurs cas d'utilisation et de la réglementation, de faible puissance.

Conclusion :À moins qu'il n'y ait une ligne de visée presque directe entre l'émetteur et le récepteur, il n'y a pas assez d'énergie de canal pour détecter le chemin direct, ce qui est encore compliqué par le fait que le « plancher de bruit de corrélation » (temps le plus faible - basé sur un signal détectable) est élevé par le produit temps-bande passante limité.

2. Résolution de corrélation multivoies

C'est le plus gros problème pour LoRa, mais c'est mathématiquement compliqué. Lisez la phrase suivante trois fois, jusqu'à ce qu'elle s'enfonce vraiment :

Dites-le encore (x2)…

Laissez-moi vous donner un exemple humain…. Avez-vous déjà entendu une tonalité forte et agaçante, comme une alarme ? Je parle d'un ton qui est à une seule fréquence, comme une note musicale aiguë. A-t-il été difficile de savoir d'où cela venait ? C'est parce que votre cerveau est extrêmement sophistiqué pour déterminer la différence d'heure d'arrivée entre vos deux oreilles. C'est ainsi que vous savez d'où vient un son. Dans le cas de cette tonalité d'alarme, vous n'aviez aucune idée, car le signal n'avait pas assez de bande passante pour que vos oreilles puissent déterminer la TDOA. Il s'agit d'une grande priorité dans l'industrie des sirènes et des alarmes de secours pour camions, à mesure que des avertisseurs et des alarmes à large bande sont introduits. Si vous regardez quelqu'un entendre un tel son, il bougera la tête d'avant en arrière pour utiliser la technique de localisation « de secours » de notre cerveau, en utilisant la forme de notre oreille pour trouver la direction du signal le plus fort (c'est-à-dire l'angle d'arrivée).

Un signal LoRa standard a 125 kHz de bande passante. La relation qui régit la capacité d'un récepteur à recevoir un signal avec des composants à trajets multiples et à faire la différence entre deux longueurs de trajet différentes est c/B. (Vitesse de la lumière / bande passante).

c / 125 kHz =2398 m

Donc….Si une station de base LoRa reçoit un signal, qui a une composante de trajet direct (peut être difficile, voir #1) et plusieurs signaux multi-trajets, il sera IMPOSSIBLE de déterminer la différence à moins que ces trajets ne soient supérieurs à 2,4 km de différence. . Le signal du chemin direct sera donc « tiré longtemps » par la présence de tous les multitrajets.

Sur cette figure, vous pouvez voir un calcul de portée simplifié basé sur 2 trajets, un direct et un réfléchi. Étant donné que la différence entre les longueurs du chemin 1 et du chemin 2 est inférieure à 2,4 km, dans la corrélation pour un signal de 125 kHz, la corrélation ne peut pas les résoudre séparément et les regroupe donc. Cela a pour effet d'introduire une erreur dans le calcul de la portée.

Si vous réexécutez cet exemple mais utilisez un signal avec une bande passante de 10 MHz, vous pouvez désormais résoudre des différences de chemin de plus de 30 m. (c/10Mhz =30m). En supposant que 1 et 2 ont une différence de longueur supérieure à 30 m, la fonction de corrélation peut maintenant discerner les chemins comme étant discrets, et ainsi la portée calculée est très proche de la portée réelle.

En conclusion :pour mesurer la portée radio, vous avez besoin de suffisamment d'énergie dans le chemin direct pour la détecter, et vous avez besoin de suffisamment de bande passante pour déterminer ce qui est un signal réfléchi et ce qui ne l'est pas.

La communauté 3GPP a essayé pendant de nombreuses années de faire du TDOA des signaux GSM, mais a abandonné pour ces mêmes raisons. Un émetteur GSM est également jusqu'à 2W et 200 kHz de bande passante. Ainsi, avec plus de puissance et plus de bande passante, une industrie de plusieurs milliards de dollars a découvert qu'elle n'était pas à la hauteur de la physique. Bien qu'il soit possible que la communauté enquêtant sur TDOA avec LoRa ait de nouvelles idées, elle mène toujours une bataille difficile.

Qu'en est-il de la moyenne ?

La seule façon dont la moyenne des signaux dans le temps aide beaucoup est que le récepteur et l'émetteur puissent rester verrouillés en phase entre les transmissions. Cela aide à augmenter l'énergie efficace dans le canal et aide à résoudre le problème #1. Les émetteurs LoRa se mettent en veille et fonctionnent avec des oscillateurs grossiers, donc la moyenne serait simplement la même mesure encore et encore.

Et si vous utilisiez plus de passerelles ?

Cela sera absolument utile, car la probabilité que certains récepteurs aient un signal de chemin direct fort est bien meilleure. Si la puissance du signal à trajet direct est très élevée, les signaux à trajets multiples ont un effet négligeable sur la zone de portée. C'est pourquoi une précision inférieure à 10 m est réalisable dans des scénarios idéaux. Le problème avec une tonne de passerelles, c'est juste que vous devez acheter et installer une tonne de passerelles. À ce stade, le coût du système pourrait dépasser celui des alternatives, même avec des passerelles bon marché.

Pourquoi Link Labs publie-t-il cela ? ?

Link Labs est, au fond, une société d'ingénierie, et en tant que telle, nous sommes davantage motivés par la résolution de problèmes d'ingénierie que par la création d'un battage publicitaire. Une valeur fondamentale chez Link Labs est d'être absolument transparent avec nos clients et partenaires lorsqu'il s'agit de ce qui est possible avec nos systèmes. Nous pensons qu'en étant francs et honnêtes sur les limites de toute technologie, nous ferons mieux à long terme. De plus, on nous pose beaucoup de questions sur la localisation avec LoRa et nous pensons fermement qu'une évaluation honnête de sa viabilité commerciale est nécessaire.

C'est bien, mais la géolocalisation est toujours l'application LoRa qui tue.

Nous sommes d'accord! Voici trois façons d'utiliser la puissance de LoRa et de l'associer à la localisation :

• GPS. Déterminez la position à l'aide d'une puce GPS et renvoyez-la via LoRa. Facile. Cependant, cela est plus gourmand en énergie et plus cher que la géolocalisation native LoRa et ne fonctionne qu'à l'extérieur.
• Balayage inversé de proximité/RSSI. Dans ce cas, un point de terminaison (comme un émetteur Bluetooth) envoie un message à un lecteur compatible LoRa fixe. Ce lecteur renvoie ensuite la force et l'heure du signal au réseau LoRa. Consultez www.AirFinder.com pour un bon exemple de cela.
• Rapport de signal d'opportunité/PHY. Dans ce cas d'utilisation, un émetteur LoRa est associé à quelque chose comme un scanner de station de base WiFi. Le point de terminaison signale quelles stations de base WiFi il voit et à quel RSSI. Ensuite, une base de données comme Skyhook est utilisée pour déterminer où se trouve réellement un nœud.

Ce n'est que le début ! Si vous souhaitez travailler ensemble sur le suivi des ressources intérieures et extérieures en utilisant l'une de ces techniques (ou une autre à laquelle nous n'avons pas encore pensé), veuillez nous contacter.

Liste de lecture :

Ce document aborde les points ci-dessus (et plus). Il parle spécifiquement des défis de faire TDOA avec GSM à 200 kHz.

Ce papier fait un excellent travail de mise en page avec soin de l'ensemble de l'espace.

Cet article se concentre davantage sur les systèmes à ultra-large bande, mais donne de bonnes bases mathématiques.