IoT Lokalisierungstechnologien

Ein kompakter Leitfaden zu modernen IoT-Lokalisierungstechnologien, ihren Funktionsweisen, Abwägungen und praktischen Anwendungsfällen.

Inhaltsverzeichnis

Einletung

Gegenüberstellung unterschiedlicher Technologien.

Sentinum Produkte und die integrierten Ortungsverfahren.

Intelligenter Einsatz von unterschiedlichen Tracking Technologien zur Energieoptimierung

Was bedeutet der Begriff „GNSS“?

Loklisierung mit WIFI SSID Scan.
GNSS Scan.

GPS Funktionsweise.

eDRX: Auf dem Weg zum abfragbaren tracker

Ultrawideband

Tracking im LoRaWAN®

Einleitung

Die Wahl der richtigen Lokalisierungstechnologie ist entscheidend für batteriebetriebene IoT-Geräte, da sie deren Batterielaufzeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit beeinflusst. Wichtige Optionen sind GNSS für präzise Ortung im Freien (hohe Genauigkeit, aber energieintensiv), WiFi und BLE für energieeffiziente Indoor-Positionierung (niedriger Energieverbrauch, aber mittlere Genauigkeit), LoRaWAN® für großflächige Anwendungen im Außenbereich mit cloudgestützter, stromsparender Lokalisierung sowie zellulare Ortung mit globaler Abdeckung und mittlerer Genauigkeit.

Die optimale Technologie hängt davon ab, Genauigkeitsanforderungen, Umgebung, Abdeckung, Energieeffizienz und Wartungsaufwand auszubalancieren, um praktikable und langlebige IoT-Lösungen zu gewährleisten. 

Gegenüberstellung unterschiedlicher Technologien

Technologie	Reichweite unter guten Bedingungen (m)*	Reichweite unter schlechten Bedingungen (m)	Stromver-brauch	Eignung für Indoor Tracking	Kosten
BLE Scanning (nicht implementiert, auf Anfrage)	1 – 3	5 - 10	Gering	Hoch	Mittel
WIFI SSID Scanning	1 – 5	5 – 20	Gering	Hoch	Mittel
GNSS (GPS, Glonass, BeiDou, Galileo)	3 - 5	5 - 10	Hoch	Nicht geeignet	Hoch
Mobilfunk Lokalisierung über Triangulation oder Funkzellen	10 – 150	150 bis mehrere Kilometer	Gering	Gering	Gering
GNSS Scan	1 – 10	10 - 200	Gering	Nicht geeignet	Mittel
UWB	<0,1 – 0,3	0,3 – 0,5	Gering	Sehr Hoch	Mittel
Tracking über das LoRaWAN***	200 – 500	500 - 1500	Keiner	Praktisch nicht geeignet	Gering

Sentinum Produkte und die integrierten Ortungsverfahren

Generell lassen sich alle LoRaWAN® Geräte über das LoRaWAN® orten. Dazu werden Gateways mit GPS Synchronisation benötigt.

Im Sentinum Produktportfolio sind Stand Q2 2025 die Apollon-Q und die Juno Serie mit erweiterten Tracking Funktionen ausgestattet. Eine Ortung über BLE Funktion kann auf Anfrage freigeschaltet werden.

Artikelnummer	Funkstandard	WIFI SSID Scan	GNSS Scan	GNSS
S-JUNO(-iX)-LOEU-TRACK	LoRaWAN®	✔	✔	X
S-JUNO(-iX)-LOEU-TH-TRACK	LoRaWAN®	✔	✔	X
S-JUNO(-iX)-NBM1-TRACK-2	Cellular	✔	X	✔
S-JUNO(-iX)-NBM1-TRACK-3	Cellular	✔	X	✔
S-JUNO(-iX)-NBM1-TH-TRACK-2	Cellular	✔	X	✔
S-JUNO(-iX)-NBM1-TH-TRACK-3	Cellular	✔	X	✔
S-JUNO(-iX)-MIOTY-TRACK	mioty®	✔	X	✔
S-JUNO(-iX)-MIOTY-TH-TRACK	mioty®	✔	X	✔
S-(i)APOQ-LOEU-T-ACC	LoRaWAN®	✔	✔	X
S-(i)APOQ-LOEU-TR-ACC	LoRaWAN®	✔	✔	X
S-(i)APOQ-NBM1-T-ACC	Cellular	✔	X	✔
S-(i)APOQ-NBM1-TR-ACC	Cellular	✔	X	✔

Intelligenter Einsatz von unterschiedlichen Tracking Technologien zur Energieoptimierung

Für die präzise und energieeffiziente Standortbestimmung kombinieren wir verschiedene Tracking-Technologien: WiFi-SSID-Scan, GNSS, GNSS-Scan und Cell Locate. Jede dieser Technologien hat spezifische Stärken, die wir flexibel und situationsabhängig einsetzen.

• Beim WiFi-SSID-Scan werden in der Umgebung verfügbare WLAN-Netzwerke erkannt und anhand bekannter SSID-Standorte eine Position ermittelt. Diese Methode ist äußerst energiesparend und ermöglicht schnelle Standortupdates – ideal in urbanen Gebieten mit dichter WLAN-Abdeckung.
• GNSS (Global Navigation Satellite System, z.B. GPS) bietet eine sehr präzise Positionsbestimmung, ist jedoch im Vergleich sehr energieintensiv. Daher wird GNSS gezielt nur dann aktiviert, wenn andere Methoden nicht ausreichend genaue Daten liefern.
• Beim GNSS-Scan werden Satellitendaten lediglich gesammelt und die Positionsberechnung optimiert, ohne dauerhaft eine aktive GNSS-Sitzung aufrechtzuerhalten. Dies spart ebenfalls erheblich Energie gegenüber einer permanenten GNSS-Nutzung.
• Cell Locate ermöglicht eine Positionsbestimmung auf Basis von Mobilfunkzellen. Diese Methode ist global verfügbar und sorgt auch bei fehlendem WLAN oder GNSS-Signal für eine grobe, aber kontinuierliche Standortbestimmung.

Durch eine intelligente Steuerung und Priorisierung – etwa die bevorzugte Nutzung von WiFi-Scans – kann der Energieverbrauch des Geräts erheblich reduziert werden. Erst wenn WiFi- oder Zellortung nicht ausreichen, wird automatisch auf GNSS oder andere genauere Verfahren umgeschaltet.

Alle Tracking-Strategien und Fallback-Mechanismen sind individuell konfigurierbar, sodass für verschiedene Anwendungen und Regionen die jeweils beste Balance zwischen Energieeffizienz, Genauigkeit und Verfügbarkeit gewählt werden kann.
Selbst wenn einzelne Technologien je nach Umgebung variieren, ermöglicht diese flexible Kombination eine nahezu lückenlose und detailreiche Routenaufzeichnung weltweit.

Auch für Indoor-Szenarien, in denen GNSS-Signale häufig nicht verfügbar oder ungenau sind, bieten wir geeignete Lösungen. Durch den WiFi-SSID-Scan sowie die Nutzung von bekannten Indoor-Access-Points lässt sich die Position auch innerhalb von Gebäuden zuverlässig bestimmen. Optional kann die Indoor-Positionierung durch zusätzliche Technologien wie Bluetooth Low Energy (BLE) Beacons oder Inertialsensorik ergänzt werden.

Damit wird eine präzise Standortbestimmung auch in komplexen Umgebungen wie Einkaufszentren, Flughäfen oder Industriehallen möglich – nahtlos integriert in das bestehende Tracking-Konzept.

Was bedeutet der Begriff „GNSS“?

GNSS steht für „Global Navigation Satellite System“ und bezeichnet ein satellitengestütztes System zur weltweiten Positionsbestimmung und Navigation. Es umfasst verschiedene nationale und internationale Satellitennetzwerke wie das amerikanische GPS (Global Positioning System), das europäische Galileo, das russische GLONASS und das chinesische BeiDou. Ein GNSS-Empfänger auf der Erde empfängt Signale von mehreren Satelliten gleichzeitig. Diese Signale enthalten unter anderem Informationen über die genaue Uhrzeit und die Position des jeweiligen Satelliten. Aus den Laufzeiten der Signale – also der Zeit, die das Funksignal vom Satelliten bis zum Empfänger benötigt – kann der Empfänger die Entfernung zu jedem einzelnen Satelliten berechnen. Mit Hilfe von mindestens vier solcher Satelliten kann der Empfänger seine eigene Position in drei Dimensionen (Länge, Breite und Höhe) sowie die genaue Uhrzeit bestimmen.

GNSS ermöglicht dadurch eine weltweite, unabhängige und kontinuierlich verfügbare Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit, die je nach Empfängertyp, Umgebung und verwendeter Technologie von mehreren Metern bis auf wenige Zentimeter reichen kann. In modernen Anwendungen wird oft auf sogenannte Multi-GNSS-Empfänger zurückgegriffen, die gleichzeitig mehrere Systeme wie GPS, Galileo und GLONASS nutzen, um Genauigkeit, Verfügbarkeit und Ausfallsicherheit zu erhöhen. GNSS wird heute in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt – von der Navigation in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen über Vermessung und Landwirtschaft bis hin zu IoT-Geräten, Smartphones und autonomen Systemen.

Loklisierung mit WIFI SSID Scan

Welche Sensoren setzen WIFI SSID SCAN ein?

Im Sentinum Produktportfolio sind Teile der Juno und Apollon-Q Reihe mit einer WIFI SSID Scan Funktion ausgestattet. Die Cellular und mioty® Produkte sind mit einem 2,4 GHz und 5 GHz WIFI SSID Scan für die Auswertung von bis zu 20 MAC Adressen ausgestattet, die LoRaWAN® Produkte mit einem 2,4 GHz WIFI SSID Scan für bis zu sechs Adressen:

Artikelnummer	Funkstandard	2,4 GHz Scan	5 GHz Scan	Maximale Anzahl der MAC Adressen
S-JUNO(-iX)-LOEU-TRACK	LoRaWAN®	✔	X	6
S-JUNO(-iX)-LOEU-TH-TRACK	LoRaWAN®	✔	X	6
S-JUNO(-iX)-NBM1-TRACK-2	Cellular	✔	✔	20
S-JUNO(-iX)-NBM1-TRACK-3	Cellular	✔	✔	20
S-JUNO(-iX)-NBM1-TH-TRACK-2	Cellular	✔	✔	20
S-JUNO(-iX)-NBM1-TH-TRACK-3	Cellular	✔	✔	20
S-JUNO(-iX)-MIOTY-TRACK	mioty®	✔	✔	20
S-JUNO(-iX)-MIOTY-TH-TRACK	mioty®	✔	✔	20
S-(i)APOQ-LOEU-T-ACC	LoRaWAN®	✔	X	6
S-(i)APOQ-LOEU-TR-ACC	LoRaWAN®	✔	X	6
S-(i)APOQ-NBM1-T-ACC	Cellular	✔	✔	20
S-(i)APOQ-NBM1-TR-ACC	Cellular	✔	✔	20

Wie funktioniert WIFI SSID Scanning

Die Wi-Fi SSID-Scan-basierte Lokalisierung nutzt die Erkennung von Wi-Fi-Netzwerken in der Umgebung, um den Standort eines Geräts zu bestimmen. Dabei wird die Signalstärke (RSSI) der Wi-Fi-Signale verwendet, um eine Schätzung der Entfernung zu den verschiedenen Access Points (APs) vorzunehmen. Diese Technik wird oft in Innenräumen verwendet, wo GPS-Signale möglicherweise nicht verfügbar oder ungenau sind.

Im Wesentlichen funktioniert der Lokalisierungsprozess wie folgt:

1. Aktivierung des SSID-Scans: Das Gerät beginnt mit einem passiven Wi-Fi-Scan, bei dem es nach allen Beacon Frames lauscht, die von den in der Umgebung befindlichen Access Points (APs) ausgestrahlt werden. Diese Beacon Frames enthalten die SSID (den Namen des Netzwerks), die BSSID (die MAC-Adresse des APs) sowie die Signalstärke des empfangenen Signals (RSSI).
2. Messung der Signalstärke: Für jedes empfangene Signal wird die RSSI (Received Signal Strength Indicator) gemessen. Diese Signalstärke gibt an, wie stark das Signal des Access Points am Gerät empfangen wird. Eine höhere RSSI bedeutet in der Regel, dass sich das Gerät näher am entsprechenden Access Point befindet.
3. Vergleich mit bekannten Positionen: Um die Position des Geräts zu bestimmen, wird die gemessene RSSI-Werte in Kombination mit den bekannten Positionen der Access Points genutzt. Dies erfolgt durch Methoden wie Triangulation oder Trilateration, bei denen die Abstände zu mindestens drei oder mehr Access Points berechnet werden. Anhand dieser Berechnungen kann das Gerät seine Position auf einer Karte oder in einem Raum bestimmen.
4. Positionsbestimmung: Die gesammelten Daten von den Access Points werden analysiert, um die wahrscheinlichste Position des Geräts zu ermitteln. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Signalstärke und der bekannten Positionen der Access Points. Moderne Algorithmen können die Lokalisierung auch weiter verfeinern, indem sie zusätzliche Faktoren wie die Umgebungsbedingungen oder die Bewegungen des Geräts mit einbeziehen.
5. Anzeige der Position: Nachdem das Gerät die Position bestimmt hat, wird diese dem Benutzer auf einer Karte oder in einer entsprechenden Benutzeroberfläche angezeigt. Bei Bedarf kann auch die Genauigkeit der Position in Echtzeit aktualisiert werden, basierend auf weiteren SSID-Scans und den sich ändernden Signalstärken.

Vorteile und Anwendungen der Wi-Fi-basierten Lokalisierung

• Hohe Genauigkeit in Innenräumen: Da GPS-Signale in Gebäuden oft schwach oder nicht vorhanden sind, bietet das Wi-Fi-Scanning eine ausgezeichnete Alternative zur Positionsbestimmung in geschlossenen Räumen.
• Einfache Implementierung: Da viele Gebäude bereits mit Wi-Fi-Netzwerken ausgestattet sind, kann die Lokalisierung über Wi-Fi mit minimalem zusätzlichen Aufwand implementiert werden.
• Kostengünstig: Wi-Fi-basierte Lokalisierung erfordert keine zusätzlichen Hardware-Investitionen, wenn bereits Wi-Fi-Access Points vorhanden sind.

Dieser Lokalisierungsansatz ist besonders in Indoor-Navigationssystemen, Asset Tracking oder Flottenmanagement von Vorteil, da er eine präzise Positionierung ermöglicht, auch ohne den Einsatz teurer GPS-Systeme.

Die Ortungstechnologie auf Basis von Wi-Fi SSID Scanning wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf eine grobe bis mittlere Genauigkeit der Positionsbestimmung ankommt und vorhandene WLAN-Infrastruktur genutzt werden kann. Dabei erfasst ein Gerät die Namen (SSIDs) und Signalstärken (RSSI) der umliegenden WLAN-Netzwerke, ohne sich mit ihnen zu verbinden. Anhand dieser Informationen lässt sich abschätzen, wo sich das Gerät befindet – entweder durch Abgleich mit einer bestehenden WLAN-Datenbank (z. B. von Google oder Apple), durch vorheriges Fingerprinting oder mithilfe eines selbst aufgebauten WLAN-Kartierungsmodells.

Diese Technologie kommt beispielsweise bei der Innenraumlokalisierung in Gebäuden zum Einsatz, etwa in Einkaufszentren, Flughäfen oder großen Bürokomplexen, in denen GPS-Signale nur eingeschränkt oder gar nicht verfügbar sind. Auch im Bereich Logistik und Asset Tracking wird Wi-Fi Scanning genutzt, um den Standort von Geräten oder Waren innerhalb von Lagerhäusern oder auf Betriebsgeländen zu erfassen – oft in Kombination mit anderen Technologien wie BLE oder LoRaWAN. In Smartphones und Wearables wird die Methode verwendet, um standortbezogene Dienste wie Kartennavigation, Geofencing oder Standortfreigabe zu ermöglichen, selbst wenn keine Mobilfunkverbindung vorhanden ist.

 Ein weiterer typischer Anwendungsfall ist die unterstützende Ortung für batteriebetriebene IoT-Geräte, bei denen GNSS zu energieintensiv wäre. Hier kann der Wi-Fi Scan helfen, eine ausreichend genaue Position zu bestimmen, ohne die Batterie stark zu belasten. Aufgrund der breiten Verfügbarkeit von WLAN-Netzen und der Möglichkeit, auch ohne aktive Netzwerkverbindung eine Positionsschätzung zu ermöglichen, stellt das Wi-Fi SSID Scanning eine flexible, kostengünstige und energiesparende Alternative oder Ergänzung zu klassischen GNSS- oder zellulären Ortungssystemen dar. 

Abhängigkeit der Genauigkeit

Die Genauigkeit der Wi-Fi-SSID-Scan-Lokalisierung hängt von mehreren Faktoren ab und kann je nach Umgebung und Systemarchitektur stark variieren. Allgemein liegt die Genauigkeit bei der positionsbasierten Ortung mittels WLAN typischerweise zwischen 1 und 20 Metern. Dabei ist die exakte Positionsbestimmung von unterschiedlichen Parametern abhängig, die sowohl technischer als auch umgebungsbedingter Natur sind.

Ein wesentlicher Einflussfaktor ist die Signalstärke, auch RSSI (Received Signal Strength Indicator) genannt. Diese wird verwendet, um den Abstand zwischen dem Gerät und einem Access Point abzuschätzen. Allerdings ist der Zusammenhang zwischen Signalstärke und Entfernung nicht linear und kann durch Wände, Möbel, andere Geräte oder bauliche Gegebenheiten erheblich verzerrt werden. In offenen Räumen mit wenigen Hindernissen kann die Genauigkeit bei etwa 1 bis 5 Metern liegen, während sie in komplexeren Umgebungen wie Wohn- oder Bürogebäuden mit vielen Hindernissen eher zwischen 5 und 20 Metern schwankt.

Auch die Anzahl und Verteilung der verfügbaren Access Points spielt eine entscheidende Rolle. Je mehr Access Points mit bekannter und stabiler Position vorhanden sind, desto präziser kann die Ortung erfolgen. Wenn das Gerät Signale von mindestens drei gut verteilten Access Points empfängt, ist eine genauere Positionierung durch Triangulation oder Trilateration möglich. Sind hingegen nur ein oder zwei Access Points verfügbar oder befinden sich diese ungünstig verteilt, sinkt die Genauigkeit entsprechend.

Die Umgebung hat ebenfalls einen maßgeblichen Einfluss auf die Lokalisierungsgenauigkeit. Wi-Fi-Signale können reflektiert, absorbiert oder gestreut werden – je nach Material und Anordnung von Wänden, Möbeln oder anderen Objekten im Raum. Elektronische Geräte in der Nähe können zusätzlich Störungen verursachen. So kann die Ortungsgenauigkeit in einem dicht bebauten Bürogebäude mit vielen Stahlträgern, Trennwänden und anderen Hindernissen zwischen 5 und 15 Metern liegen, während sie in einem offenen Lagerraum oder Flur auch bei 1 bis 3 Metern liegen kann.

Neben der Hardware spielt auch die Software eine wichtige Rolle: Die Qualität der eingesetzten Positionsbestimmungsalgorithmen kann die Genauigkeit erheblich verbessern. Verfahren, die beispielsweise auf maschinellem Lernen oder Kalibrierungsdaten basieren, können Umwelteinflüsse besser berücksichtigen und helfen, die gemessenen RSSI-Werte zu interpretieren und zu glätten. Dadurch steigt insbesondere in komplexeren Umgebungen die Zuverlässigkeit der Positionsangabe.

Ein weiterer Aspekt ist die Sichtbarkeit der Netzwerke. Verborgene SSIDs, also WLANs, die ihren Netzwerknamen nicht aussenden, sowie Interferenzen durch benachbarte Netzwerke oder andere Geräte, können die Positionsgenauigkeit ebenfalls reduzieren. In solchen Fällen stehen dem Gerät weniger verwertbare Informationen zur Verfügung, was zu einer ungenaueren Ortung führen kann.

Insgesamt zeigt sich, dass Wi-Fi-Scanning eine flexible und in vielen Fällen ausreichend genaue Methode zur Positionsbestimmung darstellt – insbesondere dann, wenn andere Ortungstechnologien wie GPS nicht verfügbar oder zu energieintensiv sind. Die erreichbare Genauigkeit ist jedoch stets vom Zusammenspiel verschiedener Faktoren abhängig.   

Darum ist für JUNO die Ortung über WIFI SSID sinnvoll

Der Juno mit WIFI SSID Scanning eignet sich besonders für Ortungsanwendungen, bei denen GNSS-Signale schwach oder nicht verfügbar sind, wie z. B. in Innenräumen oder städtischen Umgebungen. Durch die Kombination von Wi-Fi-Scanning mit GNSS- und zellbasierten Ortungstechnologien können präzisere Standortdaten erzielt werden.​

• Wi-Fi-Scanning: Unterstützt sowohl aktives als auch passives Scannen von 2,4 GHz- und 5 GHz-Wi-Fi-Netzen.​
• Energieeffizienz: Optimiert für Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch, ideal für batteriebetriebene Geräte.
• Hohe Sicherheit mit WPA3 Unterstützung
• Sehr gutes Ortungsverfahren für Innenräume
• Viele bestehende Netzwerke
• Kann die Lebensdauer entscheidend verlängern, da viel stromsparender als herkömmliches GNSS

Juno Cellular kann bis zu 20 verschiedene Access Points auswerten und somit eine sehr genaue Lokalisierung vornehmen. Die Genauigkeit schwankt je nach Anwendungsfall. Realistisch sind Genauigkeiten von 3 bis 20 Metern 

GNSS Scan

Funktionsweise von GNSS Scan

Die GNSS-Scan-Funktionalität ermöglicht es, Positionsdaten über verschiedene GNSS-Systeme wie GPS, Galileo, GLONASS oder BeiDou zu ermitteln. Dabei erfolgt die Positionsbestimmung durch einen integrierten GNSS-Empfänger, der kontinuierlich nach sichtbaren Satelliten scannt und basierend auf den empfangenen Signalen die Position des Geräts berechnet. Sobald die Position ermittelt wurde, werden die entsprechenden Daten an eine zentrale Station oder Cloud-Plattform übermittelt. Dies ermöglicht eine präzise Lokalisierung, selbst in abgelegenen Gebieten, und das bei geringem Energieverbrauch, da der GNSS-Empfänger nur bei Bedarf aktiviert wird.

Die Genauigkeit der GNSS-Scan-Funktion in LoRa-Modulen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die typischen Genauigkeiten der GNSS-Positionierung liegen je nach verwendetem System zwischen 2,5 und 10 Metern, wenn Standard-GPS genutzt wird. Wenn mehrere GNSS-Systeme wie GPS, Galileo, GLONASS und BeiDou kombiniert werden, kann die Genauigkeit auf 1 bis 3 Meter verbessert werden. In schwierigen Umgebungen, wie etwa in städtischen Gebirgsschluchten oder bei starker Signalabschattung, kann die Genauigkeit jedoch auf 10 bis 50 Meter oder mehr ansteigen 

 GNSS Scan und LoRa® Cloud

Die LoRaWAN® Geräte wie z.B. der Juno Tracker oder der Apollon-Q basieren auf dem LoRa® Edge LR1110 Chipset und senden die GNSS Scan Informationen auf Port 199. Die Daten werden an Datenbanken wie z.B. an die LoRa® Cloud gesendet und dort in werden die latitude und longitude Koordinaten berechnet. Anschließend werden die Koordinaten wieder über standardisierte Schnittstellen an den Netzwerkserver zurückgegeben.

Sentinum bietet einen solchen Service an. Sie können einfach die Daten an unsere Server senden und wir übernehmen den Rest für Sie. Fragen Sie uns einfach an.

Falls Sie eine eigene Integration wünschen, helfen Ihnen folgende Links weiter:

Verbinden von TTI mit der LoRa Cloud: LoRa Cloud | The Things Stack for LoRaWAN®

Verbinden von Chirpstack mit der LoRa Cloud: LoRa Cloud - ChirpStack open-source LoRaWAN® Network Server documentation

LoRa Cloud Homepage: Semtech LoRa Cloud

Beispiel für die TTI Integration:

Um The Things Stack (TTI) – also die LoRaWAN®-Plattform von The Things Industries – mit der Semtech LoRa Cloud zu verbinden, musst du eine Integration einrichten, damit Daten, z. B. GNSS-Scans, korrekt an die LoRa® Cloud übermittelt und verarbeitet werden. Die LoRa® Cloud übernimmt dabei Aufgaben wie Geolokalisierung, GNSS-Umrechnung, Wi-Fi-Positionierung oder Modem Services.

1.  Semtech LoRa Cloud aktivieren   

• Gehe zu https://lora-developers.semtech.com.
• Erstelle ein Konto oder melde dich an.
• Unter LoRa Cloud → Modem Services findest du deinen Token (API-Schlüssel), den du später in TTI eintragen musst.

2.  Integration in The Things Stack einrichten

• Melde dich bei The Things Stack Console an (z. B. https://eu1.cloud.thethings.industries/).
• Öffne dein Endgerät (Device), das du verbinden möchtest.
• Gehe zu Integrations → Webhooks.
• Klicke auf Add Webhook, und wähle Semtech LoRa Cloud als Vorlage aus.

3. Webhook konfigurieren

• Fülle das Formular aus:

• • Base URL: Wird automatisch von TTI vorgeschlagen.
  • Token: Trage hier deinen API-Schlüssel von der LoRa Cloud ein.
  • Aktiviere die gewünschten Services, z. B.:
    • Modem Services (für GNSS und Wi-Fi Scans).
    • Geolocation (für TDOA/RSSI).
  • Du kannst auch GNSS- oder Wi-Fi-Daten senden lassen, je nach Gerätetyp.

 4. Payload-Formate anpassen (wenn nötig) 

• Achte darauf, dass dein Endgerät die erwartete Payload-Struktur für Semtech LoRa Cloud Services verwendet (z. B. das von Semtechs LoRa Basics Modem vorgesehene Format).

 5. Daten prüfen 

• Sobald dein Gerät Positionsdaten (z. B. GNSS-Rohdaten) sendet, werden diese über TTI an die LoRa Cloud weitergeleitet.
• Die Antwort der LoRa Cloud wird dann wiederum über TTI zurück an das Endgerät oder deine Anwendung gesendet 

Test & Monitoring:

• Nutze die Live Data Ansicht in TTI, um zu sehen, ob Daten übermittelt werden.
• In der Semtech Cloud kannst du sehen, ob Anfragen ankommen und verarbeitet werden.
• Prüfe die Antwortpakete mit den Geodaten (Latitude, Longitude) und Position Accuracy.

GPS Funktionsweise

GPS (Global Positioning System) ist ein satellitengestütztes Navigationssystem, das es ermöglicht, die genaue Position auf der Erde zu bestimmen. Es besteht aus mindestens 24 Satelliten, die in etwa 20.000 Kilometern Höhe um die Erde kreisen. Diese Satelliten senden kontinuierlich Signale aus, die Informationen über ihre aktuelle Position und die genaue Zeit, zu der das Signal gesendet wurde, enthalten. Jeder Satellit ist mit einer Atomuhr ausgestattet, die extrem präzise ist.

Ein GPS-Empfänger, der in Geräten wie Smartphones, Navigationssystemen oder anderen GPS-fähigen Geräten verbaut ist, empfängt diese Signale. Um die eigene Position zu bestimmen, benötigt der Empfänger Signale von mindestens vier Satelliten. Sobald die Signale empfangen werden, misst der Empfänger die Zeit, die das Signal benötigt hat, um vom Satelliten zum Empfänger zu gelangen. Da sich das Licht mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreitet, kann der Empfänger die Entfernung zu jedem Satelliten berechnen.

Mit den Entfernungen zu mindestens drei Satelliten kann der Empfänger mithilfe der Triangulation die Position auf der Erdoberfläche bestimmen. Ein vierter Satellit hilft, die Höhe (die Z-Koordinate) zu berechnen und eventuelle Fehler zu korrigieren. Die Genauigkeit der GPS-Position hängt von der Anzahl der empfangenen Satelliten und der Qualität des Signals ab. In offenen Gebieten, ohne Hindernisse wie hohe Gebäude oder Bäume, ist die Genauigkeit am besten. In städtischen Gebirgsschluchten oder bei schlechtem Wetter können Signalstörungen die Genauigkeit beeinträchtigen.

Um die Genauigkeit weiter zu verbessern, kommt in vielen Fällen Differentielles GPS (DGPS) zum Einsatz. Hierbei werden an festen, bekannten Punkten auf der Erde Stationen installiert, die Korrekturdaten an die mobilen GPS-Empfänger senden, um die Genauigkeit auf wenige Zentimeter zu steigern.

Neben dem amerikanischen GPS-System gibt es auch andere globale Navigationssatellitensysteme (GNSS) wie GLONASS (Russland), Galileo (Europa) und BeiDou (China), die oft zusammen mit GPS verwendet werden, um die Genauigkeit und Verfügbarkeit der Positionsbestimmung zu verbessern.

eDRX: Auf dem Weg zum abfragbaren tracker

Der Traum vom Tracker der ständig zuhört und aktiv abfragbar ist, wird real. Die eDRX Funktion hilft bei der Umsetzung.

eDRX (Extended Discontinuous Reception) erlaubt es einem Mobilfunkgerät, nach einer Datenübertragung in einen energiesparenden „Schlafmodus“ zu wechseln, bei dem es nicht ständig mit dem Mobilfunknetz kommuniziert. Normalerweise müssen Mobilfunkgeräte in kurzen Intervallen überprüfen, ob das Netzwerk neue Nachrichten für sie hat (z. B. eingehende Befehle oder Updates). Diese häufigen Überprüfungen kosten Energie, selbst wenn keine neuen Daten vorhanden sind.

Mit eDRX werden diese Überprüfungsintervalle deutlich verlängert: Ein Sensor kann so eingestellt werden, dass er nur noch alle Minuten oder sogar Stunden auf neue Netzwerknachrichten hört. Während der Ruhezeiten schaltet sich der Empfänger des Geräts weitgehend ab, was den Energieverbrauch drastisch senkt. Sobald die festgelegte eDRX-Phase endet, „wacht“ der Sensor auf, hört kurz auf neue Nachrichten und kann dann wieder schlafen gehen, falls nichts Wichtiges empfangen wurde. Durch eine Nachricht vom Netzwerk zum Sensor kann der Standort des Gerätes abgefragt werde.

Dabei bleibt das Gerät weiterhin beim Netz registriert — es ist nicht komplett offline —, sondern reduziert nur seine aktive Empfangsbereitschaft. Das ist ideal für Anwendungen, bei denen das Gerät hauptsächlich selbst Daten sendet (z. B. Standort, Sensormesswerte) und nur selten erreichbar sein muss.

eDRX-Zyklen können dabei Sekunden bis Stunden dauern (abhängig vom Netzbetreiber und der Anwendung). Je höher die eDRX Frequenz, desto höher der Ruhestromverbrauch des Gerätes. Daher ist es entscheidend, die erforderlichen Abfragefrequenzen sorgfältig zu definieren und diese stets in Relation zur angestrebten Lebensdauer des Geräts zu setzen.

Ultrawideband

Ultra-Wideband (UWB) ist eine moderne Funktechnologie zur hochpräzisen Positionsbestimmung, die besonders in Innenräumen eingesetzt wird. Die Ortung erfolgt durch das Senden extrem kurzer und breitbandiger Funksignale im Frequenzbereich von etwa 3,1 bis 10,6 GHz. Diese Signale haben eine sehr hohe zeitliche Auflösung, wodurch sich die Laufzeit des Signals – also die Zeit, die es benötigt, um von einem Sender zu einem Empfänger zu gelangen – äußerst genau messen lässt. Auf Basis dieser Zeitmessung kann die Entfernung zwischen zwei Geräten mit einer Genauigkeit von typischerweise 10 bis 30 Zentimetern, in manchen Fällen sogar unter 10 Zentimetern, berechnet werden.

Die UWB-Ortung funktioniert über zwei Hauptverfahren: das sogenannte Two-Way Ranging (TWR) und das Time Difference of Arrival (TDoA). Beim Two-Way Ranging sendet ein mobiles Gerät (auch Tag genannt) ein Funksignal an einen fest installierten Empfänger (Anchor). Dieser antwortet darauf, und der Tag misst die benötigte Zeit für Hin- und Rückweg. Aus dieser Zeit kann, unter Berücksichtigung der konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Funkwellen, die Entfernung berechnet werden. Das TDoA-Verfahren funktioniert etwas anders: Hier sendet das Tag nur ein Signal aus, das von mehreren Anchors gleichzeitig empfangen wird. Die minimale Zeitdifferenz, mit der das Signal bei den unterschiedlichen Empfängern eintrifft, wird zur triangulierten Berechnung der Position verwendet. Dieses Verfahren erlaubt besonders energieeffiziente Anwendungen, da das Tag nicht aktiv antworten muss und die Rechenarbeit auf der Serverseite erfolgt.

Ein typisches UWB-Positionssystem besteht aus mehreren fest installierten Anchors mit bekannten Positionen und mobilen Tags, die an Objekten, Personen oder Fahrzeugen angebracht sind. Die Positionsberechnung wird von einer zentralen Ortungssoftware übernommen, die kontinuierlich die Signale verarbeitet. UWB zeichnet sich nicht nur durch seine hohe Genauigkeit aus, sondern auch durch eine geringe Latenz, was es ideal für Echtzeit-Anwendungen macht – etwa in der industriellen Fertigung, in Logistikzentren oder zur Zugangskontrolle in Gebäuden. Auch bei komplexen Umgebungen mit viel Metall oder anderen Funkquellen bleibt UWB aufgrund seiner hohen Robustheit gegenüber Störungen sehr zuverlässig. Die typische Reichweite liegt in Innenräumen zwischen 30 und 100 Metern, abhängig von der Antennenkonfiguration und den baulichen Gegebenheiten. Damit stellt UWB eine äußerst leistungsfähige Lösung für präzises, sicheres und energieeffizientes Indoor-Tracking dar.

Tracking im LoRaWAN®

Das Tracking im LoRaWAN®-Netzwerk funktioniert, indem Endgeräte (sogenannte Nodes) Funksignale aussenden, die von mehreren LoRaWAN®-Gateways empfangen werden. Die genaue Position des Geräts wird dabei nicht direkt vom Gerät selbst bestimmt, sondern durch Auswertung der empfangenen Signale im Netzwerk oder in einer speziellen Ortungsplattform (z. B. der Semtech LoRa® Cloud). Es gibt verschiedene Verfahren zur Positionsbestimmung, die je nach Anwendung und Infrastruktur kombiniert werden können.

Ein häufig verwendeter Ansatz ist das sogenannte TDOA-Verfahren (Time Difference of Arrival). Dabei misst das Netzwerk die Zeitdifferenz, mit der ein Funksignal eines LoRaWAN®-Geräts bei verschiedenen Gateways eintrifft. Da sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, lassen sich aus diesen minimalen Zeitunterschieden Entfernungsdifferenzen zu den Gateways ableiten. Wenn mindestens drei Gateways das gleiche Signal empfangen, kann die Position des Geräts durch Triangulation berechnet werden. Diese Berechnung erfolgt zentral im LoRaWAN® Network Server oder in einer angebundenen Cloud-Lösung. Die Genauigkeit von TDOA liegt in der Regel im Bereich von etwa 200 bis 1000 Metern, abhängig von Gateway-Dichte, Synchronisation und Umgebungsbedingungen.

Das TDOA-Verfahren (Time Difference of Arrival) im LoRaWAN®-Netzwerk funktioniert über ein Prinzip ähnlich der Triangulation, genauer gesagt handelt es sich um eine Variante der Multilateration. Dabei wird die Position eines Geräts nicht direkt aus den Signalstärken (wie beim RSSI-Verfahren), sondern aus den Laufzeitunterschieden eines Funksignals bei mehreren Gateways berechnet.

Wenn ein LoRaWAN®-Endgerät (Node) eine Nachricht sendet, wird dieses Signal gleichzeitig (oder nahezu gleichzeitig) von mehreren Gateways in Reichweite empfangen. Jedes dieser Gateways vermerkt mit extrem hoher Zeitauflösung, wann genau das Signal angekommen ist. Da sich das Funksignal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, machen bereits Unterschiede im Nanosekundenbereich einen messbaren Unterschied in der berechneten Entfernung aus.

Durch die Berechnung der Zeitdifferenzen, mit denen das Signal bei den verschiedenen Gateways eintrifft, kann das System Kreise (bzw. Hyperbeln) mit möglichen Positionen des Geräts berechnen. Je mehr Gateways das Signal empfangen, desto genauer lässt sich der Schnittpunkt dieser Hyperbeln ermitteln – also die tatsächliche Position des Geräts. Dieses Verfahren erfordert mindestens drei synchronisierte Gateways, um eine zweidimensionale Position (Latitude/Longitude) zu berechnen.

Werden spezielle Gateways benötigt?

Für das Tracking im LoRaWAN® über TDOA wird eine besondere Art von Gateways benötigt:
Diese müssen GPS-synchronisiert sein oder über eine andere präzise Zeitsynchronisation (z. B. PTP – Precision Time Protocol) verfügen, damit die Zeitstempel für den Empfang des Signals exakt und vergleichbar sind.

Standard-LoRaWAN®-Gateways ohne Zeitsynchronisation können keine zuverlässigen TDOA-Daten liefern, da schon kleinste Abweichungen in der Zeiterfassung zu großen Fehlern in der Positionsbestimmung führen würden.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von TDOA hängt stark von der Dichte und Verteilung der Gateways, der Qualität der Zeitsynchronisation und der Umgebung (z. B. Reflexionen) ab. Typischerweise liegt sie im Bereich von 200 bis 1000 Metern, in idealen Bedingungen auch besser. In städtischen Umgebungen kann sie durch Mehrwegeffekte (Reflexionen) beeinträchtigt werden.

TDOA für Indoor Tracking 

Indoor-Tracking mit dem TDOA-Verfahren im LoRaWAN®-Netzwerk ist theoretisch möglich, in der Praxis jedoch stark eingeschränkt und meist nicht empfehlenswert, wenn es um präzise Ortung innerhalb von Gebäuden geht. Hier sind die Gründe im Detail:

Warum TDOA für indoor Anwendungen problematisch ist:

1. Funkwellenverzerrung durch Hindernisse
   Wände, Decken, Möbel und andere Objekte verursachen starke Dämpfung, Streuung und Reflexionen von Funksignalen. Dadurch verändert sich die effektive Laufzeit des Signals, was bei einem auf Zeitdifferenzen basierenden Verfahren wie TDOA zu massiven Genauigkeitsfehlern führt.
2. Mehrwegeausbreitung (Multipath)
   Funksignale kommen nicht nur auf direktem Weg bei den Gateways an, sondern oft auch über Reflexionen. Diese Signale kommen mit minimaler Verzögerung an und verfälschen die Zeitmessung, wodurch die Positionsberechnung ungenau wird.
3. Schwierige Gateway-Platzierung
   Für sinnvolles TDOA-Tracking müssen mindestens drei Gateways mit freier Sichtlinie zum Gerät vorhanden sein – das ist in Gebäuden schwer zu realisieren. Oft sind selbst große Gebäude nur mit einem Gateway abgedeckt, was keine TDOA-Positionierung ermöglicht.
4. Synchronisation leidet unter schlechten GPS-Empfang
   GPS-Synchronisation der Gateways ist oft nicht möglich oder unzuverlässig in Innenräumen, was die Grundlage für TDOA ruiniert. Ohne exakte Zeitsynchronisation funktioniert die gesamte Methode nicht.

Wann TDOA indoor eingeschränkt funktioniert:

• In sehr großen Hallen, Flughafenterminals oder offenen Logistikflächen mit guter Gateway-Abdeckung.
• Wenn zusätzliche Technologien zur Fehlerkorrektur eingesetzt werden (z.  Algorithmen, die Multipath-Effekte erkennen).
• In Kombination mit anderen Lokalisierungstechnologien wie Bluetooth, UWB oder Wi-Fi, um Ausfälle oder Ungenauigkeiten auszugleichen.