LoRaWAN-Tracking ohne GPS

Die vierte industrielle Revolution ist in vollem Gange und wir befinden uns mittendrin. Immer mehr Branchen haben die Zeichen der Zeit erkannt und wollen ihr Stück vom großen Kuchen des Internets der Dinge.

LoRaWAN wurde in den letzten Jahren zu einem zentralen Bestandteil für die Vernetzung und Kommunikation miteinander verbundener Maschinen. Die Anwendungsfelder sind so nützlich wie vielfältig, doch vor allem ein Aspekt lohnt eine nähere Betrachtung: Die Möglichkeit, mittels LoRaWAN als Positionstracker akkurate Geokoordinaten zu ermitteln – und das ganz ohne die Nutzung von GPS oder GMS.

Wofür ist das sinnvoll?

Bevor ein näherer Blick auf die technischen Besonderheiten erfolgt, kann es nicht schaden, konkrete Anwendungsbeispiele aufzuzeigen.

Grundsätzlich ist ein Positionstracker sehr hilfreich für einfach zu bewegende Sachen, die entweder leicht gestohlen oder verloren gehen können oder deren Positionsbestimmung aus anderen Gründen wichtig ist.

Mögliche Anwendungsbereiche können unter anderem als Positionstracker der Positionsdaten von Fahrzeugen, wie beispielsweise des öffentlichen Personennahverkehrs oder Privatfahrzeuge wie Fahrräder oder Autos sein. In nicht allzu ferner Zukunft und mit zunehmender Verbreitung sind die Positionsdaten der LoRaWAN-Sensoren auch als zusätzliche Diebstahlsicherung denkbar. Der beständige Kampf der Polizei gegen Fahrzeugdiebe gleicht oftmals einem Kampf gegen die vielköpfige Hydra. Zwar existieren bereits heute Diebstahlsicherungen, die mittels GPS-Tracking eine Nachverfolgung ermöglichen, doch LoRaWAN als Positionstracker bringt eigene Vorteile mit sich.

Die beiden offensichtlichsten sind dabei Energieverbrauch sowie Kosten der Positionsbestimmung der Geokoordinaten.

In verschiedenen Studienszenarien konnte beispielsweise klar gezeigt werden, dass der notwendige Energieverbrauch für LoRaWAN als Positionstracker nur einen Bruchteil der Energie vergleichbarer GPS-Systeme verbraucht (vgl. Fargas, Petersen, 2017 und Khalil, 2018).

Zwar führt auch ein geringerer Energieverbrauch bereits zu niedrigeren Fixkosten, doch für viele Unternehmen sind auch die Anschaffungskosten von hoher Bedeutung.

James und Nair (2017) entwickelten beispielsweise eine Möglichkeit, LoRaWAN als Positionstracker für Busse einzusetzen, die lediglich ein Siebtel der Bereitstellungskosten von GPS-Modulen beansprucht.

Wie funktioniert Geo-Tracking via LoRaWAN?

LoRaWAN bietet attraktive Features, sodass es zu einer leistungsstarken Technologie zur Positionsbestimmung wird. Zum Beispiel die große Funkreichweite, die durch die gute Empfindlichkeit der Empfänger (-136 dBm) erreicht werden kann, bis zu 15 km in ländlichen Gebieten und 5 km in städtischen Gebieten (vgl. Centenaro, Member, Vangelista, Member; 2016). Demzufolge könnte der Gesamtwert der Leistungsübertragungsbilanz bis zu 150 dB erreichen, wenn man die maximale Sendeleistung von 14 dBm annimmt. Ein weiteres interessantes Merkmal ist die Bandbreite, die bei LPWANs größer ist als bei anderen IoT-Technologien, sodass es besser ist, verschiedene Pfade von ein und demselben Signal zu unterscheiden (nützlich für Positionsbestimmungen in städtischen Szenarien, in denen Reflexionen vorhanden sind).

Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren verschiedene Studien über die LoRa-Technologie für die Ermittlung von Geokoordinaten durchgeführt, bei denen Sagemcom gute Genauigkeitsergebnisse der Positionsdaten (bis zu 4 Meter) erzielte. Zur Verbesserung der Ergebnisse wurden jedoch LoRa-Gateways in einem hexagonalen Layout verwendet, und das Signal vom Endknoten wurde von mindestens 10 Gateways empfangen, wenn die Datenrate am höchsten war (vgl. Lestable, Lalam, Grau; 2015). Schließlich ist LoRaWAN eine Open-Source-Technologie, es gibt Informationen über ihre Implementierung, Schichten, Paketstruktur, Kommunikationsprotokolle und andere relevante Merkmale. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, den Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN zu verdeutlichen. Einerseits ist LoRa eine Funktechnologie, die auf einer Variation des Chirp Spread Spectrum (CSS) mit integrierter Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction = FEC) basiert (Augustin, J. Yi, Clausen, Townsley; 2016). Daher nutzt sie die gesamte Kanalbandbreite, um ein Signal zu übertragen, was sie robust gegenüber Kanalrauschen und resistent gegen Mehrwegeffekte, Fading und den Doppler-Effekt macht, selbst bei geringer Leistung. Bei der CSS-Modulation sind 6 Spreizfaktoren (SF) definiert, von SF = 7 bis SF = 12, die orthogonale Übertragungen mit unterschiedlichen Datenraten gewährleisten.

Andererseits ist LoRaWAN ein MAC-Protokoll (Media Access Control), das entwickelt wurde, um Geräten mit geringem Stromverbrauch die Kommunikation mit an das Internet angeschlossenen Anwendungen über LPWAN zu ermöglichen. Es ist vollständig bidirektional und wurde von Sicherheitsexperten entwickelt, um Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten. LoRaWAN kann auf die zweite und dritte Schicht des OSI-Modells abgebildet werden, zusätzlich zur LoRa-Modulation. Das LoRaWAN-Protokoll wird von der LoRa-Allianz definiert und standardisiert.

Es existieren mehrere Verfahren, die zur Einschätzung der Position eines Gerätes verwendet werden können, wobei jedes von ihnen unterschiedliche Merkmale aufweist. Es ist wichtig, je nach den bekannten Informationen des Endknotens das geeignetste Verfahren auszuwählen. Die drei gebräuchlichsten Methoden zur Durchführung der Positionsbestimmung sind Triangulation, Trilateration und Multilateration.

Triangulation

Bei der Triangulation werden die Einfallswinkel des vom Sender empfangenen Signals verwendet. Ein Dreieck wird mit zwei von ihnen definiert und die Endknotenposition wird unter Anwendung trigonometrischer Formeln geschätzt.

Trilateration

Die Trilateration erfordert den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger, der aus der Ankunftszeit (time of arrival = TOA), der Flugzeit (time of flight = TOF) oder aus dem Indikator für die empfangene Signalstärke (received signal strength indicator = RSSI) ermittelt werden kann. Sie erfordert daher eine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger. Die Position ist der Schnittpunkt der drei Kreise, der sich aus den verschiedenen Entfernungen ergibt.

Multilateration

Die Multilateration ist der Trilateration recht ähnlich; das Hauptmerkmal zur Berechnung der Position ist jedoch die Zeitdifferenz der Ankunft (time difference of arrival = TDOA). Die Sender sind miteinander synchronisiert, während der Empfänger nicht synchronisiert sein muss. Daher ist der Standort bei dieser Technik der Schnittpunkt von mindestens zwei Hyperbeln (drei Antennen erforderlich).

Wenn ein IoT-System als Positionstracker nicht über eine Synchronisation mit dem Endknoten verfügt, sondern nur die Gateways miteinander synchronisiert sind, ist dieser Ansatz zu empfehlen. Das liegt daran, dass die verfügbare Information die Zeit war, zu der das Paket von jedem Gateway empfangen wurde. Die TDOA kann mit dieser Information berechnet werden, weshalb die Verwendung eines Multilaterationsalgorithmus naheliegt.

Im Vergleich mit der Nutzung eines Trilaterionsalgorithmus zeigt sich, dass Multilateration oftmals eine höhere Genauigkeit aufweist (vgl. Lestable, Lalam, Grau; 2015).

Welche Nachteile hat LoRaWAN-Tracking ohne GPS?

Im Gegensatz zu GPS greifen LoRaWAN-Sensoren nicht auf Satelliten zu, sondern sind von der lokalen Verbreitungen von LPWAN-Gateways abhängig. Je breiter die Abdeckung mit LPWAN-Gateways ist, desto akkurater wird die Bestimmung der Geokoordinaten mittels LoRaWAN.

Eine höhere Anzahl von Gateways ermöglicht es den LoRaWAN-Sensoren, mit diesen zu kommunizieren, wodurch sich Informationen von Positionsdaten über den möglichen Standort berechnen lassen.

Es liegt auf der Hand, dass mit zunehmender Verbreitung der Gateways auch die Akkuratheit des Geo-Trackings rapide zunehmen wird. Bei offensichtlichen Vorteilen wie rapide reduziertem Energieaufwand sowie geringeren Anschaffungskosten, stellen LoRaWAN-Systeme eine attraktive Möglichkeit als Positionstracker der Zukunft dar.