Geolokalisierung durch LoRaWAN

In einem anderen Beitrag haben wir uns bereits die vielversprechenden Einsatzmöglichkeiten von LoRaWAN in Kombination mit Bluetooth Low Energy (BLE) für umfangreiches Indoor-Tracking angesehen. Doch auf für den Outdoor-Einsatz bietet LoRa spannende Funktionen zur Ortung verschiedener Güter wie Fahrzeuge, Pakete oder Lebewesen.

Wie funktioniert die Ortung durch LoRaWAN?

Ein LoRaWAN-Endgerät kann geortet werden, wenn Uplink-Übertragungen von besagtem Gerät von drei oder mehr Gateways empfangen werden. Diese Uplink-Übertragungen müssen keine spezifischen Übertragungen für die Geolokalisierung sein, also keine Positionsdaten an sich; es genügt, wenn normale Anwendungsdaten eines LoRaWAN-Geräts an die Gateways gesendet werden.

Mehrere Gateways empfangen gleichzeitig dieselbe Uplink-Nachricht, und der Standort des Endgeräts wird mit Hilfe von Multilaterationsverfahren (nähere Details dazu haben wir bereits in diesem Artikel beleuchtet) bestimmt.

Auf dem Endgerät ist keine zusätzliche Hardware über die LoRaWAN-Schnittstelle hinaus erforderlich. Die Gateways benötigen eine genaue Zeitsynchronisation. Dies wird beispielsweise mit GPS an den Gateways erreicht (oder andere verfügbare Mittel zur Synchronisierung der Gateway-Uhren auf einige zehn Nanosekunden). Jeder empfangene Uplink-Frame wird vom Gateway mit einem genauen Zeitstempel durch das Gateway versehen. Dieser Zeitstempel wird als Teil der Metadaten eines Frames, zu denen auch Signalpegel, Signal-Rausch-Verhältnis und Frequenzfehler gehören, an den Netzwerkserver weitergeleitet.

Der Netzwerkserver sortiert mehrere Übertragungen desselben Frames, gruppiert alle Metadaten, einschließlich der Zeitstempel für diesen Frame, und fordert eine Geolokalisierungsberechnung von der zuständigen Software für die Geolokalisierung an. Die Hauptfunktion dieser Software ist es, für einen bestimmten Frame die Zeitdifferenz des Empfangs durch die Paare von Gateways zu berechnen. Dieser Zeitunterschied misst die Nähe des Endgeräts zu einem Gateway des Paares im Vergleich zum anderen. Wenn die TDOA (time difference of arrival – Zeitdifferenz der Ankunft) für ein Paar von Gateways bekannt ist, kann das Endgerät auf einer Hyperbel platziert werden. Bei mehreren solcher Zeitdifferenzen kann das Endgerät auf mehreren Hyperbeln platziert werden. Das Endgerät wird auf dem Schnittpunkt dieser Hyperbeln positioniert. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung hängt von mehreren Faktoren ab:

– Ausbreitungsumgebung und Mehrwegeffekte

– Geometrie und Dichte des Gateway-Einsatzes

– Algorithmus zur Positionsbestimmung, der Geolokalisierungssoftware genutzt wird

– Qualität der Zeitsynchronisation des Gateways

– Dynamik und Konfiguration des Endgeräts

Welchen Nutzen bringt die Geolokalisierung mit LoRaWAN?

All die obengenannten Faktoren können das Endergebnis der Ortung positiv oder negativ beeinflussen, weshalb das reale Ergebnis stets von den Begebenheiten vor Ort abhängt. Nun stellt sich natürlich die Frage, warum ein Nutzer darüber nachdenken sollte, ein Ortungssystem auf Basis von LoRaWAN zu implementieren.

Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass aktuell die Genauigkeit der Positionsbestimmung zwischen 20 und 200 Metern schwankt, weshalb ein LoRaWAN für ein absolut exaktes Tracking momentan noch ungeeignet ist. Allerdings bringt die LoRa-Technologie andere Vorteile mit sich, die nicht von der Hand zu weisen sind. Hervorzuheben sind insbesondere die sehr geringen Anschaffungs- und Betriebskosten sowie die ausgesprochene Langlebigkeit der Hardware und Batterielaufzeit. Ein LoRa-System, das einmal installiert wurde, kann über viele Jahre effizient genutzt werden. Hinzu kommt, dass durch Verwendung zusätzlicher, sinnvoll platzierter LoRa-Gateways die Geolokalisierung immer exakter und die Ortung der benötigten Güter entsprechend vereinfacht wird.

Als konkrete Anwendungsbereiche lassen sich unter anderem folgende Aspekte denken:

Geofencing – Wurde ein Gut, das sich im Regelfall an derselben Stelle befindet, unerwartet bewegt? Diese Information ist insbesondere dann hilfreich, wenn die Gefahr des Diebstahls besteht, etwa bei Baumaschinen, Werkzeugen oder anderen stationären Gütern. Sobald eine Positionsveränderung festgestellt wurde, können entsprechende Gegenmaßnahmen in die Wege geleitet werden.

Tracking von langsamen, dynamischen Gütern – Die Überwachung von Bewegungen des Viehbestands oder verschiedener Fahrtzeuge (Smart Agriculture bzw. Smart City kommen hier als Begriffe in den Sinn) sind weitere Möglichkeiten. Hier benötigt der Nutzer oftmals nur unregelmäßige Positionsupdates mit nicht absolut exakten Positionsdaten, aber dennoch kontinuierlich über einen längeren Zeitraum.

Es sollte jedoch bedacht werden, dass der Einsatz von Geolokalisierung durch LoRaWAN nicht für jeden Zweck sinnvoll und zielführend ist. Darunter fallen Dinge wie:

Güterverfolgung in Echtzeit – Wer konstante Echtzeitdaten seiner Güter benötigt, ist mit der Nutzung von LoRaWAN schlecht beraten. Hierfür benötigt es einer technischen Lösung, die mehr Leistung und einen entsprechend höheren Energieverbrauch mit sich bringt.

Hochdynamische Güterverfolgung – Güter, die sich schnell bewegen und von denen ein konstantes Positionsupdate erforderlich ist, sind ebenfalls nur schlecht mittels LoRaWAN zu orten, weshalb auch hier auf andere technische Optionen zurückgegriffen werden sollte.

Am Ende ist es als Nutzer immer wichtig zu wissen, welche individuellen Herausforderungen durch den Einsatz einer bestimmten Technologie überwunden werden sollen. Sobald das Wissen darum vorhanden ist, lassen sich auch vergleichsweise einfach die dafür notwendigen technischen Lösungen implementieren. Wie zu sehen ist, bietet die Ortung durch LoRaWAN eine Reihe nützlicher Anwendungsfälle, der Nutzer sollte diese Technologie jedoch nicht für jede Art der Geolokalisierung verwenden.