5G網(wǎng)絡(luò)是如何提高位置感知能力的？

3GPP Release 16 承諾使高精度定位服務(wù)更便宜、更可靠。結(jié)合各種非蜂窩技術(shù)利用新的信號特性可以實(shí)現(xiàn)混合定位的形式。

你相信你的GPS嗎？你會準(zhǔn)備盲從嗎？雖然我們很少這么想，但我們智能手機(jī)或汽車中全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS） 接收器的位置讀數(shù)是一個統(tǒng)計(jì)量。它告訴您，以給定的概率（例如 50%），您在指定的距離（例如 1 米）內(nèi)。最終，您與所提供信息的關(guān)系取決于您愿意對設(shè)備提供的輸出有多大信心。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （GNSS）

GNSS 長期以來一直是用戶設(shè)備準(zhǔn)確位置估計(jì)的唯一來源。但隨著應(yīng)用程序變得更加廣泛、多樣化和安全關(guān)鍵，了解如何量化讀數(shù)的可靠性以及在 GNSS 不可用時使用替代輸入源已成為其成功的關(guān)鍵。

當(dāng)然，GNSS 并不是唯一可用的位置信息來源。具有蜂窩調(diào)制解調(diào)器的設(shè)備可以使用蜂窩信號確定其大致位置。市場上的主要參與者，如 u-blox，長期以來一直在其蜂窩通信模塊中提供基于蜂窩信號的混合定位解決方案，后者結(jié)合了 GNSS 和蜂窩信號，以擴(kuò)大定位服務(wù)的覆蓋范圍。

現(xiàn)在，5G 定位是 5G 技術(shù)結(jié)構(gòu)中經(jīng)常被忽視的組成部分，正在由行業(yè)驅(qū)動的 3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。該機(jī)構(gòu)匯集了七個致力于制定電信標(biāo)準(zhǔn)的組織和數(shù)百家企業(yè)成員，正在推動 5G 定位的發(fā)展，將其作為下一代蜂窩通信技術(shù)的一個組成部分，同時考慮到不同行業(yè)垂直領(lǐng)域的需求。

簡要回顧

定位從一開始就在實(shí)現(xiàn)蜂窩通信方面發(fā)揮了重要作用。最初，它只是一個副產(chǎn)品：為了將傳入呼叫路由到接收者的終端設(shè)備，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要知道在任何給定時間最終用戶連接到了哪些特定的蜂窩基站。

這種情況在 1999 年發(fā)生了變化，當(dāng)時美國監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出了對高精度位置估計(jì)的要求以啟用緊急服務(wù)，這導(dǎo)致了第一代基于蜂窩技術(shù)的專用定位服務(wù)。1歐盟在 2002 年效仿美國。2從那時起，定位服務(wù)的范圍隨著蜂窩技術(shù)的不斷發(fā)展而擴(kuò)大，主要由行業(yè)需求驅(qū)動并由 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化。

因此，當(dāng)今的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)為移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供了廣泛的方法來以不同程度的準(zhǔn)確度確定每個用戶的位置。這些方法利用了固定和移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的不同組合，以及定位衛(wèi)星等外部資源。

下表概述了主要的 4G LTE 定位服務(wù)。3

表 1. 主要 4G LTE 定位服務(wù)

新用例和需求

雖然基于位置的服務(wù)的主要驅(qū)動力是監(jiān)管機(jī)構(gòu)的需求，但今天，包括硬件和設(shè)備制造商、航天機(jī)構(gòu)和移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在內(nèi)的幾家公共和私營公司正在推動通過蜂窩定位服務(wù)提供更高的準(zhǔn)確性和精度以實(shí)現(xiàn)新一代商業(yè)動機(jī)的基于位置的服務(wù)。

這些應(yīng)用程序大致分為 UE-Assisted，其中網(wǎng)絡(luò)和外部應(yīng)用程序獲取位置以跟蹤對象的位置，以及 UE-based，其中 UE 計(jì)算自己的位置以用于導(dǎo)航和引導(dǎo)。 4

與此同時，物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 滲透到我們經(jīng)濟(jì)和社會生活的方方面面，對定位技術(shù)的覆蓋范圍和可靠性的期望越來越高。而今天，我們希望幾乎在任何地方都能訪問高速互聯(lián)網(wǎng)，而高精度定位也可能成為現(xiàn)實(shí)。

因此，3GPP 和其他標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)正在重新審視其即將發(fā)布的版本中蜂窩定位的應(yīng)用空間和性能要求。受益于改進(jìn)的高精度定位服務(wù)的用例范圍廣泛，包括工業(yè)、資產(chǎn)跟蹤、汽車、交通管理、智慧城市、共享單車、醫(yī)院、無人機(jī)、公共服務(wù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) （AR） 以及消費(fèi)者和專業(yè)的可穿戴設(shè)備。

總體而言，5G 技術(shù)旨在提供各種基于蜂窩和混合定位服務(wù)，提供絕對和相對定位，具體取決于每個特定用例的需求。至關(guān)重要的位置信息應(yīng)該以可以放在讀數(shù)上的置信度來衡量。尚未完全定義和商定的關(guān)鍵要求是水平和垂直精度、相對精度（附近設(shè)備之間）、首次修復(fù)時間、速度精度、功耗、延遲以及操作和安全相關(guān)屬性。 5

在下文中，我們將看看三個用例所提出的需求，特別是在垂直行業(yè)中：（i） 無人機(jī)任務(wù)和操作，（ii） IIoT 跟蹤應(yīng)用程序，以及 （iii） 自動車輛導(dǎo)航。前兩個用例引用的值來自 3GPP TR 22.872 技術(shù)報告。6用于汽車用例的那些包括廣泛的特定應(yīng)用程序，來自其他參考資料。7，8

圖 1.三個選定垂直領(lǐng)域中新興 5G 定位用例的要求。

新一代 GNSS 接收器如何改變定位

過去幾年，基于衛(wèi)星的定位一直在快速發(fā)展。在衛(wèi)星導(dǎo)航的早期，GNSS 接收器必須依靠單個軌道衛(wèi)星星座（美國 GPS 或俄羅斯 GLONASS 系統(tǒng)）來確定其位置?，F(xiàn)在有更多的操作系統(tǒng)，包括歐洲伽利略和中國北斗系統(tǒng)，以及在原來的兩個系統(tǒng)上增加了幾個區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)。今天，可以同時接收來自所有軌道 GNSS 星座的信號的多星座 GNSS 接收器，例如 u-blox F9 一代接收器，正在成為常態(tài)。結(jié)果，接收器能夠“看到”更多的衛(wèi)星，即使在天空的大部分被遮擋的情況下，例如在城市（或?qū)嶋H）峽谷中，

最初，GNSS 接收器使用在單個頻段上傳輸?shù)男l(wèi)星信號來估計(jì)其位置。位置誤差的主要來源之一是當(dāng)衛(wèi)星信號在穿過帶電電離層時減速時引起的。由于此延遲與平方頻率的倒數(shù)成正比，因此使用來自其他頻帶的信號可以幫助確定和糾正電離層誤差。最新一代的雙頻 GNSS 接收器使用標(biāo)準(zhǔn)的基于代碼的定位，在開闊的天空條件下將平均位置誤差從大約 2.5 m 降低到不到 1 米。

GNSS 定位質(zhì)量長期以來一直受益于商業(yè) GNSS 校正服務(wù)。GNSS 校正服務(wù)提供商通常使用具有精確已知位置的基站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控傳入的 GNSS 信號，并將定制的校正信息傳輸給最終用戶并收取費(fèi)用。對于基于代碼的定位，這些被稱為差分校正。

當(dāng)使用高精度載波相位跟蹤 RTK（實(shí)時運(yùn)動學(xué)）方法時，從附近的參考接收器獲得的校正可以實(shí)現(xiàn)厘米級定位。今天，新一代 GNSS 校正服務(wù)正在形成，它采用另一種方法，通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星廣播整個地理區(qū)域（例如一個國家或整個大陸）的 GNSS 代碼和載波相位校正數(shù)據(jù)。

多星座和多頻段接收器與新的 GNSS 校正方案相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)厘米級精度，同時顯著降低擁有成本，為厘米級高精度定位的新型大眾市場應(yīng)用鋪平了道路。

也就是說，GNSS 仍然存在兩個缺點(diǎn)：接收器需要理想地位于軌道衛(wèi)星的視線范圍內(nèi)才能確定位置。在室內(nèi)和隧道中，服務(wù)會降級甚至不可用。而且，在最好的情況下，GNSS 接收器需要幾秒鐘才能從冷啟動中首次明確確定其位置。由慣性傳感器提供支持的航位推算解決方案主要針對汽車應(yīng)用量身定制，大大擴(kuò)展了 GNSS 信號范圍之外的高精度定位范圍。與通過 GNSS 信號本身相比，輔助 GNSS （A-GNSS） 提供了一種更快的方式來檢索 GNSS 軌道和時鐘數(shù)據(jù)，從而加快了首次修復(fù)的時間。

5G 將如何為基于蜂窩的定位帶來新的改進(jìn)

5G New Radio 是 3GPP 第 15 版定義的下一代蜂窩技術(shù)，已經(jīng)在醞釀之中。9一些地區(qū)的最終用戶最早將在 2019 年上半年首先獲得基于 4G LTE 的非獨(dú)立架構(gòu)，三星和 Verizon、LG 和 Sprint 以及華為將在 2019 年初發(fā)布 5G 智能手機(jī)，蘋果預(yù)計(jì)將跟進(jìn)2020 年。10隨后將部署獨(dú)立的 5G。

幾家移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商已經(jīng)公開宣布從城市中心開始部署 5G 網(wǎng)絡(luò)。美國處于領(lǐng)先地位。AT&T 于 2018 年開始推出，并將持續(xù)到 2019 年，目標(biāo)是在年中提供全國覆蓋。11在第二個參加比賽的國家韓國，電信公司聯(lián)合宣布計(jì)劃在 2019 年 3 月推出 5G。12在英國，沃達(dá)豐宣布計(jì)劃在 2020 年開始推出這項(xiàng)技術(shù)。但是，高精度定位服務(wù)不會成為 3GPP 5G NR 規(guī)范的一部分，直到 2019 年底左右發(fā)布第 16 版，最早在 2020 年部署。

5G 背后的驅(qū)動力是多種多樣的。新應(yīng)用對蜂窩網(wǎng)絡(luò)性能的可靠性、可用性、覆蓋范圍和延遲提出了更高的要求。移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在尋求 5G 從垂直行業(yè)建立新的收入來源。芯片組供應(yīng)商在 5G 中看到了通過許可知識產(chǎn)權(quán)來增加收入的機(jī)會。用戶將獲得他們一直要求的更高數(shù)據(jù)速率。

5G 蜂窩通信技術(shù)通過 eMBB、uRLLC 和 mMTC 三個關(guān)鍵使用場景來解決這些不同的需求，我們將在下面簡要介紹。

eMBB（增強(qiáng)型移動寬帶）將專用于蜂窩通信的頻譜擴(kuò)展到更高的頻率，從而以更快的速度傳輸數(shù)據(jù)。

URLLC（超可靠低延遲通信）推動了自動駕駛汽車和車聯(lián)網(wǎng) （V2X） 應(yīng)用等新機(jī)遇。

mMTC（大規(guī)模機(jī)器類型通信）將繼續(xù)推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在低功耗廣域（LPWA）通信中的發(fā)展。

在這些場景中實(shí)現(xiàn)定位需要新的信號和新的基礎(chǔ)設(shè)施，以擴(kuò)大可用技術(shù)的范圍13 ，包括更高頻率的更大帶寬、更多天線組合成復(fù)雜的天線陣列以及更密集的電信網(wǎng)絡(luò)。目標(biāo)是雄心勃勃的：以低于 15 毫秒的低延遲提供亞米級位置精度。

5G 提供更大的帶寬和頻率

3GPP 目前專注于將一系列 4G LTE 定位方法引入 5G。通常，這些使用上行鏈路和下行鏈路信號來確定各個終端設(shè)備的位置，以確定它們相對于用作錨點(diǎn)的移動網(wǎng)絡(luò)天線的位置。示例是增強(qiáng)的 Cell-ID 和基于 TDOA 的方法。

在增強(qiáng)型 Cell-ID 中，終端設(shè)備監(jiān)控它們與多個基站的接近程度，測量信號強(qiáng)度和到設(shè)備的大致傳播時間。通過結(jié)合這些觀察，可以計(jì)算出比單獨(dú)測量最近的單元中心更好的設(shè)備位置估計(jì)。

在基于 TDOA 的方法中，終端設(shè)備準(zhǔn)確測量來自多個基站的信號的到達(dá)時間。使用基于觀察到的接收時間之間的時間差的多點(diǎn)定位，該設(shè)備可以比使用增強(qiáng)的 Cell-ID 更準(zhǔn)確地確定其到觀察到的基站的位置。

另一類是目前尚未充分利用的側(cè)鏈，這是一種涉及設(shè)備到設(shè)備通信的 4G LTE 技術(shù)，可以允許設(shè)備確定它們相對于彼此的位置。一個明顯的用例是車對車 （V2V） 通信。

5G 的新頻譜分配對于基于蜂窩的定位來說是個好消息，特別是由于位于更高頻率的更大帶寬（除了低于 6 GHz 之外，高于 24 GHz 的毫米波）的可用性。更大的帶寬意味著可以更準(zhǔn)確地解析信號時間（時間和帶寬之間存在反比關(guān)系），因此更大的帶寬提供了更好的解決多徑效應(yīng)的能力，多徑效應(yīng)是雜亂的城市和室內(nèi)環(huán)境中的主要誤差源，因?yàn)閭鞑サ男盘柌煌窂皆诓煌臅r間到達(dá)。

5G 向新頻率的轉(zhuǎn)移也影響了蜂窩基站的地理部署和所使用的天線技術(shù)，再次有利于基于蜂窩的定位。因?yàn)樗鼈儠a(chǎn)生更高的傳播損耗，較短的波長比較長的波長具有更小的范圍，這意味著移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商將需要部署更多的基站來維持覆蓋范圍。此外，具有波束成形功能的天線陣列的引入將有助于將信號引導(dǎo)至最終用戶。更高密度的定向感知天線將通過測量延遲、到達(dá)角 （AoA） 和離開角 （AoD） 來提高多徑分量的分辨率，從而提高定位性能。此外，可以使用單個基站定位設(shè)備。

無處不在的高精度定位將需要混合方法

沒有一種方法能夠在所有環(huán)境條件下可靠地提供目標(biāo)用例所需的準(zhǔn)確性。正如我們所見，雖然當(dāng)今基于 GNSS 的解決方案能夠可靠地提供高精度位置，但它們在室內(nèi)應(yīng)用中存在局限性。另一方面，基于 5G 的定位解決方案可以補(bǔ)充并為室內(nèi)和室外場景提供準(zhǔn)確的位置估計(jì)。

將多種蜂窩方法與非蜂窩方法（例如 GNSS、地面信標(biāo)系統(tǒng) （TBS）、基于 Wi-Fi 和藍(lán)牙的測量以及慣性測量 （IMU））最佳結(jié)合的混合解決方案最有希望實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。額外的冗余允許增加容錯性并提高整體解決方案的完整性，提供定量的置信度測量以配合每個位置估計(jì)。

3GPP 認(rèn)識到混合定位解決方案有望實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用，研究范圍包括 GNSS 和衛(wèi)星信號，以及 Wi-Fi 和藍(lán)牙等地面信號等。由此產(chǎn)生的解決方案源自 3GPP 研究項(xiàng)目，目標(biāo)是在 2020 年第 1 季度第 16 版無線電規(guī)范中引入。

3GPP 面臨的挑戰(zhàn)

3GPP 為自己設(shè)定了雄心勃勃的目標(biāo)，第 16 版計(jì)劃于 2020 年上半年發(fā)布。在 5G 多樣化的信號環(huán)境之上實(shí)施基于蜂窩的定位解決方案將是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，同時鼓勵及時部署基礎(chǔ)設(shè)施以實(shí)現(xiàn)足夠廣泛的覆蓋范圍以吸引足夠大的用戶群。

正如我們所見，混合定位方法對于滿足新興應(yīng)用的嚴(yán)格需求至關(guān)重要，特別是隨著對無處不在的高精度定位的期望成為常態(tài)。這將不可避免地需要來自不同技術(shù)的代表——無論是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、蜂窩、短程、衛(wèi)星通信還是其他技術(shù)——共同努力，以產(chǎn)生比其組成部分總和更好的結(jié)果。

u-blox 作為 GNSS、短距離無線和蜂窩技術(shù)的領(lǐng)先提供商，在行業(yè)中的獨(dú)特地位使得 5G 定位方法的出現(xiàn)，特別是那些結(jié)合技術(shù)的方法，尤其令人興奮?；旌隙ㄎ唤⒃谖覀兒诵母偁幜Φ娜诤现?，我們看到了巨大的創(chuàng)新潛力、新的性能水平和新的用例。當(dāng)我們?yōu)榧涌爝@些不同世界的融合以提供更好、更全面的解決方案做出貢獻(xiàn)時，我們不禁期待結(jié)果。