Review: Athlete Tracking at a Marathon Event with LoRa — A Performance Evaluation with Mobile Gateways

Review: Athlete Tracking at a Marathon Event with LoRa — A Performance Evaluation with Mobile Gateways

從 RFID 到 LoRaWAN：城市馬拉松運動員即時追蹤的可行性與限制檢視

Dominik Hochreiter
Eng. Proc. 2024, 82, 97；於第 11 屆國際感測與應用電子會議（ECSA-11）發表，2024 年 11 月

C.Y. Lu | 11 Aug, 2025

摘要
本研究針對城市馬拉松及長跑賽事的運動員即時追蹤，提出以 LoRaWAN 搭配行動式閘道器（mobile gateways）為核心的解決方案，並在三場不同距離的比賽中進行實測，以評估覆蓋距離、更新頻率、訊號品質與功耗表現。作者指出，傳統 RFID 計時系統僅能在固定檢測點提供精確位置，需透過插值推估中間路段，且佈設成本高昂；而 LoRaWAN 能提供低功耗、長距離的連續追蹤，但靜態閘道器在城市環境難以完全覆蓋全程。透過將閘道器安裝於領航車、尾隨車或自行車，本研究檢驗了此方法對訊號覆蓋死角的補足效果。

然而，本研究雖在真實賽事環境中獲得可用的性能數據，仍存在樣本場景不足、訊號衰減建模缺失、性能分析簡略、成本與可擴展性討論不足，以及缺少與其他追蹤技術比較等限制。

主要貢獻

1. 實證驗證行動式閘道器可行性
   在全馬賽事中平均接收距離達 136 公尺（σ 157 m），最遠可達 630 公尺，中位更新間隔約 31 秒，顯示行動式閘道器可有效補足靜態佈署在城市環境的盲區。
2. 比較不同資料率設定的效能差異
   半馬賽事對 DR1、DR3、DR4 的比較顯示，DR3 在覆蓋與更新頻率間達成最佳平衡，對長距離持續追蹤具參考價值。
3. 低功耗續航驗證
   在 4 小時全馬中，裝置電壓僅下降 0.1V，證明 LoRa Tracker 適合長時間比賽的佩戴需求，且重量輕，對菁英與休閒跑者皆具適用性。
4. 量化城市環境對訊號的影響
   實測 RSSI 與 SNR 顯示城市環境的訊號衰減遠大於理想自由空間模型，建築遮蔽與人體阻擋是主要原因。

方法與資料

• 硬體
  • Tracker：Dragino TrackerD（SX1276/78）、ELV-LW-GPS1（Quectel LC86L）
  • 閘道器：Dragino LG308N，EU868 頻段，安裝於車輛或自行車
• 軟體與通訊
  • LoRa Basics™ Station + ChirpStack LNS
  • MQTT & JSON 傳輸至 MariaDB
  • OpenLayers 進行地圖可視化
• 測試場景
  • 維也納城市馬拉松（全馬，3.5 萬人）
  • 半馬與 10 公里賽事（千人級）
  • 紀錄更新間隔、接收距離、RSSI、SNR 等性能指標

批判性觀察

• 樣本多樣性不足：僅涵蓋單一城市與比賽場景，無法推論至其他地理與氣候條件。
• 缺少訊號衰減模型：雖指出衰減明顯，但未建立可供工程部署參考的定量模型。
• 性能分析過於概略：未深入分析不同速度、路段或遮蔽條件下的性能差異。
• 缺乏成本與頻譜可擴展性評估：在大規模國際賽事中部署數萬裝置的經濟與通訊負荷未被探討。
• 無跨技術比較：未與 RFID、NB-IoT、BLE、5G 等替代方案的實測性能與成本對比，降低了決策參考性。

結語
本研究在實際城市馬拉松環境中證明了行動式 LoRaWAN 閘道器搭配 GPS Tracker 的可行性，能達成 30 秒級的更新頻率與百米級定位精度，有效解決傳統 RFID 無法持續追蹤的問題。然而，若要推廣至國際賽事或其他大型戶外活動，仍需補足多場景測試、建立訊號衰減模型、分析系統成本與可擴展性，並與其他 LPWAN 技術進行對照，以確保方案在技術與經濟層面的全面可行性。

📚 參考資料
Hochreiter, D. (2024). Athlete Tracking at a Marathon Event with LoRa: A Performance Evaluation with Mobile Gateways. Eng. Proc., 82, 97. https://doi.org/10.3390/ecsa-11-20523

圖示結構與流程說明

1. Trackers（定位裝置）

• Dragino TrackerD 與 ELV-LW-GPS1（Quectel LC86L 模組）
• 由選手隨身攜帶，透過 GPS 接收定位資訊，再用 LoRa 傳送。
• 這些裝置設計輕巧、低功耗，適合長時間佩戴。

2. Gateways（閘道器）

• Dragino LG308N LoRaWAN Basic Station
• 接收 Trackers 發送的 LoRa 訊號，支援 EU868 頻段
• 透過 Ethernet / Wi-Fi / 4G 連網，將資料傳至 LoRa Network Server（LNS）
• 本研究中的閘道器為行動式安裝（領航車、尾隨車、自行車）以增加覆蓋範圍。

3. LNS（LoRa Network Server）

• 採用 ChirpStack 搭配 MQTT 介面
• 負責 LoRaWAN 訊息解封裝、驗證、轉換為標準 JSON 格式，並傳送至後端系統

4. MQTT Clients（應用端）

• Web App：即時地圖顯示運動員位置與軌跡（右下圖示）
• DB App：資料庫應用，儲存歷史位置與狀態資料

下方影像與數據意義

• 左下圖：
  一位參賽者佩戴 LoRa Tracker，透過 GPS 定位，再經由 LoRa 傳輸至行動閘道器。
• 右下圖（Web Application – Live Map View）：
  • 各彩色線條代表不同運動員的移動軌跡
• 每個點標示了：
  1. 接收時間
1. 使用的閘道器（GW）
1. 與閘道器的距離
1. 該時間點距離閘道器最後已知 GPS 位置的距離（反映行動閘道器與運動員的相對關係）

重點價值

• 該架構展示了一個完整的 LoRaWAN 端到端資料流程：
  GPS → LoRa 傳輸 → 行動式閘道器 → LNS（ChirpStack） → MQTT → Web/DB 應用
• 透過行動閘道器，能解決城市賽道中建築遮蔽造成的訊號盲區問題
• 右下的 Live Map View 提供賽事管理與觀眾互動的即時可視化介面