Verkkopaikannus Digitan LoRaWAN-verkossa

Abstract

Opinnäytetyössä tutkittiin verkkopaikantamista Digitan LoRaWAN-verkossa Suomessa hyödyntämällä Actilityn tarjoamaa Geolocation Solver -palvelua. Tutkimuksen tarkoituksena oli edistää ominaisuuden kaupallistamista Digitan asiakkaille sekä kehittää ymmärrystä LoRaWAN-geolokaation toiminnasta.

Työssä perehdyttiin LoRaWAN-tekniikan toimintaan sekä sen ominaisuuksiin, minkä jälkeen käytiin yleisesti läpi paikantamista niin GNSS-järjestelmillä kuin LoRaWAN-geolokaatiolla. Työssä tutkittiin geolokaation toimintaa ja sen tarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä pohdittiin hieman ominaisuuden mahdollisuuksia aikaisempien tutkimuksien valossa. Tutkimusta varten valmisteltiin GPS-moduulin sekä LoRa-radion omaavia mittalaitteita, jolloin geolokaatiopaikannuksien tarkkuutta pystyttiin arvioimaan vertaamalla niitä GPS:n antamiin koordinaatteihin. Saatavalle datalle valmisteltiin myös automatisoitu ohjaus, sillä mittapisteitä saatiin yli satatuhatta kappaletta. Mittapisteistä pyrittiin laskemaan ja visualisoimaan korrelaatioita paikannustarkkuuden sekä siihen vaikuttavien muuttujien välille. Mittapisteistä piirrettiin myös karttoja datan alueellista visualisointia varten.

Tutkimuksessa todettiin käytettävän paikantamisalgoritmin olevan merkittävin yksittäinen tekijä geolokaation tarkkuuden kannalta. Samalla myös viestin kuulevien tukiasemien lukumäärän nähtiin vaikuttavan merkittävästi saavutettuun tarkkuuteen sekä käytettävään algoritmiin. Tarkemman TDOA-perusteisen algoritmin nähtiin toimivan johdonmukaisesti varsinkin asutuskeskuksissa, missä verkon tiheys on suurempi, jolloin tarkkuuden odotusarvoksi TDOA:lle saatiin noin 100–400 m. Epätarkemman RSSI-perusteisen algoritmin tarkkuudeksi saatiin useampi kilometri, jolloin se antaa vain viitettä päätelaitteen sijainnista. Tämän vuoksi geolokaation käytössä nähtiin tärkeäksi, että asiakas ymmärtää ominaisuuden toiminnan, jotta paikannuksien luotettavuutta osataan arvioida realistisesti. Työssä saatua tietotaitoa tullaan käyttämään tulevaisuudessa ominaisuuden laadun valvontaan sekä jatkokehittämiseen palveluntarjoajan kanssa.

This thesis work studied network positioning in Digitas LoRaWAN network in Finland by using the Geolocation Solver service provided by Actility. The goal of the study was to assist in the commercialization of the feature, while improving the understanding of LoRaWAN geolocation. The thesis covers the function of LoRaWAN protocol and its features and studies positioning with GNSS as well as LoRaWAN geolocation. The thesis examines the function of geolocation and the factors that affect its accuracy, while also considering its possibilities in light of previous research. Measurement devices with a GPS module and a LoRa radio were prepared for the research to allow the examination of the geolocations accuracy by comparing its coordinates to the ones provided by GPS. An automated data transfer was also prepared as over hundred thousand measurements were gathered. Correlations between the geolocations accuracy and the factors affecting it were calculated and visualized. The measurements were also mapped out to geographically visualize the data. The positioning algorithm was found to be the single most significant factor when examining the accuracy. Another important variable is the gateway diversity which affects the algorithm used for positioning and the accuracy of the coordinates. The more accurate TDOA-based algorithm was found to work consistently in cities where the density of the network is higher, reaching an accuracy of 100–400 meters. The less accurate RSSI-based algorithm gave only a hint on the devices position with an accuracy of several kilometers. Based on this, it is important for the customers to understand the functionality of geolocation for them to be able to realistically estimate the reliability of the coordinates. The information gathered will be used in the future for quality control and further development purposes with the service provider.