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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、測距定位和配套其他技術(shù)定位三種方法實現(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時間差或信號強度定位。LoRa基站定位一定是在一個大的LoRaWAN系統(tǒng)中的，保證有多個LoRa室外基站且一定區(qū)域全覆蓋的應(yīng)用場景，如果有室內(nèi)網(wǎng)關(guān)，則有促進效果。

1.單基站區(qū)域定位

       單基站區(qū)域定位很簡單，如圖8-38所示，每個建站都有自身的一個覆蓋范圍（蜂窩六邊形）。當(dāng)一個LoRa設(shè)備與基站（基站）進行通信時，可能一個或多個LoRa基站收到該終端設(shè)備的信號。NS會判斷出這些基站中RSSI最強的一個，并要求該基站進行下行通信。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單，不需要經(jīng)過計算，缺點是精度很差，尤其在城市環(huán)境中信號的繞射嚴重，接收信號最強的網(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)備信號時，定位相對更準確，因為室內(nèi)網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍較小。

2.多基站定位

       到達時間差（TimeDifferenceofArrival，TDOA）定位和信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位非常類似，都是通過評估LoRa設(shè)備與幾個基站的相對距離（至少三個基站）。到達時間差是通過多個基站接收到的時間差轉(zhuǎn)化為距離差，Δtc=Δd。時間差乘以光速等于距離差，在已知所有基站的準確地理坐標(biāo)后，通過等差半徑圓形的平面幾何的計算，可以算出相對位置。圖8-39所示為三個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)一個設(shè)備信號進入多個基站透傳到NS后，NS會得到每個基站解調(diào)該定位設(shè)備的RSSI。在8.1節(jié)中我們學(xué)習(xí)了射頻信號傳播時會發(fā)生損耗，傳播越遠損耗越大，則接收到的RSSI越小。通過多個RSSI的差值，可以反算出該定位設(shè)備距離不同網(wǎng)關(guān)的相對距離比例。由于已經(jīng)知道了幾個網(wǎng)關(guān)的準確地理坐標(biāo)，通過等比半徑圓形的平面幾何計算，可以算出相對位置。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間戳數(shù)據(jù)，這是因為SX1301內(nèi)部的時間戳誤差很大約為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周圍的環(huán)境，比如在城市中有較多高樓對信號造成遮擋，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算的，當(dāng)發(fā)生反射、繞射等情況時，計算結(jié)果會出現(xiàn)較大誤差。相對而言，城市的多徑和衰落對LoRa信號強度的影響更大，對到達時間影響相對較小。環(huán)境因素（470MHzLoRa）對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)備的信號時，時間戳的精度和解調(diào)信號強度的精度。TDOA在定位時，終端LoRa信號飛行到不同基站的時間差精度決定了系統(tǒng)的精度。當(dāng)LoRa信號進入基站后，基站會在收到的剎那打上時間戳，并傳到NS。基站內(nèi)部的時鐘是通過GPS授時的，其GPS時鐘精度為1ns級別。我們可以簡單計算一下，光速為3×108m/s，1ns時間光傳播0.3m，GPS授時對定位誤差影響非常小。但是V2.1網(wǎng)關(guān)的時間戳的誤差為1μs，意味著TDOA誤差有300m。這里給大家普及一下GPS授時的精度和網(wǎng)關(guān)時間戳的精度的問題：類比于人拿著秒表，對100m賽跑運動員進行計時，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賽跑的計時精度為100ms。此例子中的秒表精度類比為GPS授時精度；而計時員掐表的動作精度類比于網(wǎng)關(guān)打下時間戳的精度。對于RSSI定位，內(nèi)部因素為接收機對信號強度的解調(diào)，由于信道中有各種干擾信號，相干解調(diào)后的LoRa信號強度也會有2～3dB的偏差，在遠距離通信中，2～3dB的距離差距占30%左右。