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       LoRa是一種底層的調(diào)制技術(shù)，其主要作用是物聯(lián)網(wǎng)通信。不過，許多LoRa從業(yè)人員也使用LoRa作為定位的手段。畢竟物聯(lián)網(wǎng)，總要知道“物”在哪里。LoRa應(yīng)用于定位技術(shù)手段非常有限，主要是通過基站定位、測(cè)距定位和配套其他技術(shù)定位三種方法實(shí)現(xiàn)。

一、LoRa的基站定位技術(shù)

       LoRa基站定位有兩類方式：一類是單基站區(qū)域定位；另一類是多基站到達(dá)時(shí)間差或信號(hào)強(qiáng)度定位。LoRa基站定位一定是在一個(gè)大的LoRaWAN系統(tǒng)中的，保證有多個(gè)LoRa室外基站且一定區(qū)域全覆蓋的應(yīng)用場(chǎng)景，如果有室內(nèi)網(wǎng)關(guān)，則有促進(jìn)效果。

1.單基站區(qū)域定位

       單基站區(qū)域定位很簡(jiǎn)單，如圖8-38所示，每個(gè)建站都有自身的一個(gè)覆蓋范圍（蜂窩六邊形）。當(dāng)一個(gè)LoRa設(shè)備與基站（基站）進(jìn)行通信時(shí)，可能一個(gè)或多個(gè)LoRa基站收到該終端設(shè)備的信號(hào)。NS會(huì)判斷出這些基站中RSSI最強(qiáng)的一個(gè)，并要求該基站進(jìn)行下行通信。因此可知該LoRa設(shè)備距離最近的基站，就在這個(gè)基站覆蓋的蜂窩六邊形內(nèi)。

圖8-38   單基站區(qū)域定位示意圖

 

       單基站定位方案非常簡(jiǎn)單，不需要經(jīng)過計(jì)算，缺點(diǎn)是精度很差，尤其在城市環(huán)境中信號(hào)的繞射嚴(yán)重，接收信號(hào)最強(qiáng)的網(wǎng)關(guān)不一定是距離最近。在有室內(nèi)網(wǎng)關(guān)接收到該設(shè)備信號(hào)時(shí)，定位相對(duì)更準(zhǔn)確，因?yàn)槭覂?nèi)網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍較小。

2.多基站定位

       到達(dá)時(shí)間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）定位和信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位非常類似，都是通過評(píng)估LoRa設(shè)備與幾個(gè)基站的相對(duì)距離（至少三個(gè)基站）。到達(dá)時(shí)間差是通過多個(gè)基站接收到的時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離差，Δtc=Δd。時(shí)間差乘以光速等于距離差，在已知所有基站的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)后，通過等差半徑圓形的平面幾何的計(jì)算，可以算出相對(duì)位置。圖8-39所示為三個(gè)基站的定位圖和幾何圖。

圖8-39   TDOA定位圖和幾何圖

       RSSI的定位方式與TDOA基本相同，當(dāng)一個(gè)設(shè)備信號(hào)進(jìn)入多個(gè)基站透?jìng)鞯絅S后，NS會(huì)得到每個(gè)基站解調(diào)該定位設(shè)備的RSSI。在8.1節(jié)中我們學(xué)習(xí)了射頻信號(hào)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生損耗，傳播越遠(yuǎn)損耗越大，則接收到的RSSI越小。通過多個(gè)RSSI的差值，可以反算出該定位設(shè)備距離不同網(wǎng)關(guān)的相對(duì)距離比例。由于已經(jīng)知道了幾個(gè)網(wǎng)關(guān)的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)，通過等比半徑圓形的平面幾何計(jì)算，可以算出相對(duì)位置。用于TDOA定位的LoRa基站為4.3.1小節(jié)中介紹的帶有FPGA和DPS的V2.1（E467）網(wǎng)關(guān)，其外部DSP可以提供精度更高的時(shí)間戳數(shù)據(jù)，這是因?yàn)镾X1301內(nèi)部的時(shí)間戳誤差很大約為8μs。

        影響定位的因素有兩方面，分別是外部因素和內(nèi)部因素。

     （1）外部因素指的是定位時(shí)周圍的環(huán)境，比如在城市中有較多高樓對(duì)信號(hào)造成遮擋，從而影響電磁波的直線傳播。TDOA和RSSI定位算法都是通過直線最短的方案計(jì)算的，當(dāng)發(fā)生反射、繞射等情況時(shí)，計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差。相對(duì)而言，城市的多徑和衰落對(duì)LoRa信號(hào)強(qiáng)度的影響更大，對(duì)到達(dá)時(shí)間影響相對(duì)較小。環(huán)境因素（470MHzLoRa）對(duì)于定位精度影響很大：在城市中，TDOA定位誤差影響為100～500m；RSSI定位誤差影響150～1000m。在農(nóng)田或草原地區(qū)TDOA定位誤差影響為30～100m；RSSI定位誤差影響50～300m。

     （2）內(nèi)部因素指LoRa基站在接收終端設(shè)備的信號(hào)時(shí)，時(shí)間戳的精度和解調(diào)信號(hào)強(qiáng)度的精度。TDOA在定位時(shí)，終端LoRa信號(hào)飛行到不同基站的時(shí)間差精度決定了系統(tǒng)的精度。當(dāng)LoRa信號(hào)進(jìn)入基站后，基站會(huì)在收到的剎那打上時(shí)間戳，并傳到NS。基站內(nèi)部的時(shí)鐘是通過GPS授時(shí)的，其GPS時(shí)鐘精度為1ns級(jí)別。我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算一下，光速為3×108m/s，1ns時(shí)間光傳播0.3m，GPS授時(shí)對(duì)定位誤差影響非常小。但是V2.1網(wǎng)關(guān)的時(shí)間戳的誤差為1μs，意味著TDOA誤差有300m。這里給大家普及一下GPS授時(shí)的精度和網(wǎng)關(guān)時(shí)間戳的精度的問題：類比于人拿著秒表，對(duì)100m賽跑運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行計(jì)時(shí)，雖然你拿的秒表精度為1ms，但人按下秒表的誤差為100ms，那么100m賽跑的計(jì)時(shí)精度為100ms。此例子中的秒表精度類比為GPS授時(shí)精度；而計(jì)時(shí)員掐表的動(dòng)作精度類比于網(wǎng)關(guān)打下時(shí)間戳的精度。對(duì)于RSSI定位，內(nèi)部因素為接收機(jī)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的解調(diào)，由于信道中有各種干擾信號(hào)，相干解調(diào)后的LoRa信號(hào)強(qiáng)度也會(huì)有2～3dB的偏差，在遠(yuǎn)距離通信中，2～3dB的距離差距占30%左右。