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(hào)特性可以實(shí)現(xiàn)混合定位的形式。

你相信你的GPS嗎？你會(huì)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(gè)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(duì)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(zhǎng)期以來(lái)一直是用戶設(shè)備準(zhǔn)確位置估計(jì)的唯一來(lái)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(shí)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(lái)源。具有蜂窩調(diào)制解調(diào)器的設(shè)備可以使用蜂窩信號(hào)確定其大致位置。市場(chǎng)上的主要參與者，如 u-blox，長(zhǎng)期以來(lái)一直在其蜂窩通信模塊中提供基于蜂窩信號(hào)的混合定位解決方案，后者結(jié)合了 GNSS 和蜂窩信號(hào)，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(dòng)的 3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）開(kāi)發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化。該機(jī)構(gòu)匯集了七個(gè)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(dòng) 5G 定位的發(fā)展，將其作為下一代蜂窩通信技術(shù)的一個(gè)組成部分，同時(shí)考慮到不同行業(yè)垂直領(lǐng)域的需求。

簡(jiǎn)要回顧

定位從一開(kāi)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(gè)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要知道在任何給定時(shí)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(shí)美國(guó)監(jiān)管機(jī)構(gòu)提出了對(duì)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(guó)。2從那時(shí)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(dòng)并由 3GPP 標(biāo)準(zhǔn)化。

因此，當(dāng)今的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了廣泛的方法來(lái)以不同程度的準(zhǔn)確度確定每個(gè)用戶的位置。這些方法利用了固定和移動(dòng)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(dòng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商在內(nèi)的幾家公共和私營(yíng)公司正在推動(dòng)通過(guò)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(dòng)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(duì)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(shí)，物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 滲透到我們經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活的方方面面，對(duì)定位技術(shù)的覆蓋范圍和可靠性的期望越來(lái)越高。而今天，我們希望幾乎在任何地方都能訪問(wèn)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(wú)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(duì)和相對(duì)定位，具體取決于每個(gè)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(lái)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(duì)精度（附近設(shè)備之間）、首次修復(fù)時(shí)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(gè)用例所提出的需求，特別是在垂直行業(yè)中：（i） 無(wú)人機(jī)任務(wù)和操作，（ii） IIoT 跟蹤應(yīng)用程序，以及 （iii） 自動(dòng)車輛導(dǎo)航。前兩個(gè)用例引用的值來(lái)自 3GPP TR 22.872 技術(shù)報(bào)告。6用于汽車用例的那些包括廣泛的特定應(yīng)用程序，來(lái)自其他參考資料。7，8

圖 1.三個(gè)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(guò)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(gè)軌道衛(wèi)星星座（美國(guó) GPS 或俄羅斯 GLONASS 系統(tǒng)）來(lái)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(guó)北斗系統(tǒng)，以及在原來(lái)的兩個(gè)系統(tǒng)上增加了幾個(gè)區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)。今天，可以同時(shí)接收來(lái)自所有軌道 GNSS 星座的信號(hào)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(gè)頻段上傳輸?shù)男l(wèi)星信號(hào)來(lái)估計(jì)其位置。位置誤差的主要來(lái)源之一是當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)在穿過(guò)帶電電離層時(shí)減速時(shí)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(lái)自其他頻帶的信號(hào)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(kāi)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(zhǎng)期以來(lái)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(hào)，并將定制的校正信息傳輸給最終用戶并收取費(fèi)用。對(duì)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(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)）方法時(shí)，從附近的參考接收器獲得的校正可以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星廣播整個(gè)地理區(qū)域（例如一個(gè)國(guó)家或整個(gè)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(jí)精度，同時(shí)顯著降低擁有成本，為厘米級(jí)高精度定位的新型大眾市場(chǎng)應(yīng)用鋪平了道路。

也就是說(shuō)，GNSS 仍然存在兩個(gè)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(huì)降級(jí)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(dòng)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(duì)汽車應(yīng)用量身定制，大大擴(kuò)展了 GNSS 信號(hào)范圍之外的高精度定位范圍。與通過(guò) GNSS 信號(hào)本身相比，輔助 GNSS （A-GNSS） 提供了一種更快的方式來(lái)檢索 GNSS 軌道和時(shí)鐘數(shù)據(jù)，從而加快了首次修復(fù)的時(shí)間。

5G 將如何為基于蜂窩的定位帶來(lái)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)公開(kāi)宣布從城市中心開(kāi)始部署 5G 網(wǎng)絡(luò)。美國(guó)處于領(lǐng)先地位。AT&T 于 2018 年開(kāi)始推出，并將持續(xù)到 2019 年，目標(biāo)是在年中提供全國(guó)覆蓋。11在第二個(gè)參加比賽的國(guó)家韓國(guó)，電信公司聯(lián)合宣布計(jì)劃在 2019 年 3 月推出 5G。12在英國(guó)，沃達(dá)豐宣布計(jì)劃在 2020 年開(kāi)始推出這項(xiàng)技術(shù)。但是，高精度定位服務(wù)不會(huì)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(dòng)力是多種多樣的。新應(yīng)用對(duì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正在尋求 5G 從垂直行業(yè)建立新的收入來(lái)源。芯片組供應(yīng)商在 5G 中看到了通過(guò)許可知識(shí)產(chǎn)權(quán)來(lái)增加收入的機(jī)會(huì)。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(guò) eMBB、uRLLC 和 mMTC 三個(gè)關(guān)鍵使用場(chǎng)景來(lái)解決這些不同的需求，我們將在下面簡(jiǎn)要介紹。

eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)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(dòng)了自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)定位需要新的信號(hào)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(jí)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(hào)來(lái)確定各個(gè)終端設(shè)備的位置，以確定它們相對(duì)于用作錨點(diǎn)的移動(dòng)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(gè)基站的接近程度，測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和到設(shè)備的大致傳播時(shí)間。通過(guò)結(jié)合這些觀察，可以計(jì)算出比單獨(dú)測(cè)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(cè)量來(lái)自多個(gè)基站的信號(hào)的到達(dá)時(shí)間。使用基于觀察到的接收時(shí)間之間的時(shí)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(duì)于彼此的位置。一個(gè)明顯的用例是車對(duì)車 （V2V） 通信。

5G 的新頻譜分配對(duì)于基于蜂窩的定位來(lái)說(shuō)是個(gè)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(hào)時(shí)間（時(shí)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?hào)不同路徑在不同的時(shí)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?huì)產(chǎn)生更高的傳播損耗，較短的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的波長(zhǎng)具有更小的范圍，這意味著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商將需要部署更多的基站來(lái)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(hào)引導(dǎo)至最終用戶。更高密度的定向感知天線將通過(guò)測(cè)量延遲、到達(dá)角 （AoA） 和離開(kāi)角 （AoD） 來(lái)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(gè)基站定位設(shè)備。

無(wú)處不在的高精度定位將需要混合方法

沒(méi)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(jiàn)，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?cè)谑覂?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(chǎng)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(cè)量以及慣性測(cè)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(cuò)性并提高整體解決方案的完整性，提供定量的置信度測(cè)量以配合每個(gè)位置估計(jì)。

3GPP 認(rèn)識(shí)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(hào)，以及 Wi-Fi 和藍(lán)牙等地面信號(hào)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(wú)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(hào)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(shí)鼓勵(lì)及時(shí)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(jiàn)，混合定位方法對(duì)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(duì)無(wú)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(lái)自不同技術(shù)的代表——無(wú)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(wú)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?jìng)爭(zhēng)力的融合之上，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(shí)，我們不禁期待結(jié)果。