5G 网络将如何提高位置感知？

3GPP 第 16 版承诺使高精度定位服务更便宜、更可靠。结合各种非蜂窝技术利用新的信号特性可以实现多种形式的混合定位。

3GPP 第 16 版承诺使高精度定位服务更便宜、更可靠。结合各种非蜂窝技术，利用新的信号特性可以实现多种形式的混合定位。

你相信你的 GPS 吗？你准备好盲目跟风了吗？虽然我们很少这么认为，但从我们智能手机或汽车中的全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器读取的位置是一个统计量。它告诉您，以给定的概率（比如 50%），您位于指定位置的指定距离内（比如 1 米）。归根结底，您与所提供信息的关系取决于您愿意对您的设备所提供的输出抱有多大的信心。

全球导航卫星系统 (GNSS)

长期以来，GNSS 一直是用户设备准确位置估计的唯一来源。但是，随着应用变得更加广泛、多样化和对安全性至关重要，了解如何量化读数的可靠性以及在 GNSS 不可用时使用替代输入源已成为其成功的关键。

当然，GNSS 不是唯一可用的位置信息来源。配备蜂窝调制解调器的设备可以使用蜂窝信号确定其大致位置。市场上的主要参与者，如 u-blox，长期以来一直在其蜂窝通信模块中提供基于蜂窝信号的混合定位解决方案，后者结合了 GNSS 和蜂窝信号，以扩大定位服务的覆盖范围。

现在，5G 定位是 5G 技术构建中经常被忽视的一个组成部分，正在由行业驱动的 3GPP（第三代合作伙伴计划）开发和标准化。该机构汇集了七个致力于制定电信标准的组织和数百家企业成员，正在推动 5G 定位的发展，将其作为下一代蜂窝通信技术的一个组成部分，并考虑到不同垂直行业的需求。

简要回顾

定位从一开始就在实现蜂窝通信方面发挥了重要作用。最初，它只是一个副产品：为了将来电路由到接收者的终端设备，移动网络运营商需要知道在任何给定时间终端用户连接到了哪个特定的蜂窝基站。

这种情况在 1999 年发生了变化，当时美国监管机构对高精度位置估计提出了要求，以支持紧急服务，这导致了基于蜂窝技术的第一代专用定位服务的出现。 ¹ 欧盟在 2002 年效仿美国。 ² 从那时起，定位服务的范围随着每一代蜂窝技术的发展而扩大，主要受行业需求驱动并由 3GPP 标准化。

因此，当今的 4G LTE 网络为移动网络运营商提供了广泛的方法来以不同程度的准确度确定每个用户的位置。这些方法利用了固定和移动网络基础设施以及定位卫星等外部资源的不同组合。

下表概述了主要的 4G LTE 位置服务。 ³

表 1. 主要 4G LTE 定位服务

新用例和需求

虽然定位服务的主要驱动力是监管机构的需求，但今天，包括硬件和设备制造商、航天机构和移动网络运营商在内的几家公共和私营公司正在推动通过蜂窝定位服务提供更高的准确度和精确度支持新一代商业驱动的基于位置的服务。

这些应用程序大致分为 UE-Assisted，其中网络和外部应用程序获取位置以跟踪对象的下落，以及 UE-based，其中 UE 计算自己的位置以进行导航和引导. ⁴

同时，物联网（IoT）渗透到我们经济和社会生活的方方面面，人们对定位技术的覆盖范围和可靠性的期望越来越高。而今天，我们希望几乎可以在任何地方访问高速互联网，高精度定位也可能成为现实。

因此，3GPP 和其他标准化机构正在其即将发布的版本中重新审视蜂窝定位的应用空间和性能要求。受益于改进的高精度定位服务的用例范围广泛，包括工业、资产跟踪、汽车、交通管理、智慧城市、共享单车、医院、无人机、公共服务、增强现实 (AR) 以及消费者和专业可穿戴设备。

总体而言，5G 技术旨在提供各种基于蜂窝和混合的定位服务，提供绝对定位和相对定位，具体取决于每个特定用例的需求。至关重要的是，位置信息应与可置于读数上的置信度一起提供。尚未完全定义和达成一致的关键要求是水平和垂直精度、相对精度（附近设备之间）、首次定位时间、速度精度、功耗、延迟以及操作和安全相关属性. ⁵

在下文中，我们将看看三个用例所带来的需求，特别是在垂直行业：(i) 无人机任务和操作，(ii) IIoT 跟踪应用程序，以及 (iii) 自动驾驶汽车导航。前两个用例引用的值来自 3GPP TR 22.872 技术报告。 ⁶ 汽车用例包含广泛的特定应用，这些用例来自其他参考资料。 ^7,8

图 1. 三个选定垂直领域中新兴 5G 定位用例的要求。

新一代 GNSS 接收器如何改变定位

近年来，卫星定位发展迅猛。在卫星导航的早期，GNSS 接收器必须依靠单个轨道卫星星座（美国 GPS 或俄罗斯 GLONASS 系统）来确定它们的位置。现在有更多的操作系统，包括欧洲伽利略系统和中国北斗系统，以及在原来的两个系统基础上增加了几个区域增强系统。今天，可以同时接收来自所有轨道 GNSS 星座的信号的多星座 GNSS 接收器，例如 u-blox F9 接收器，正在成为常态。因此，接收器能够“看到”更多的卫星，即使在大部分天空被遮挡的情况下，例如在城市（或实际）峡谷中，也能提高精度并减少实现定位的时间。

最初，GNSS 接收器使用在单个频带上传输的卫星信号来估计它们的位置。位置误差的主要来源之一是当卫星信号在穿过带电电离层时减慢时引起的。由于此延迟与平方频率的倒数成正比，因此使用来自附加频段的信号有助于确定和校正电离层误差。最新一代的双频 GNSS 接收器使用标准的基于代码的定位，在开阔的天空条件下将平均位置误差从大约 2.5 m 降低到小于 1 米。

GNSS 定位的质量长期以来受益于商业 GNSS 校正服务。 GNSS 校正服务提供商通常使用具有精确已知位置的基站网络来监控传入的 GNSS 信号，并向最终用户传输定制的校正信息，并收取一定费用。对于基于代码的定位，这些被称为差分校正。

当使用高精度载波相位跟踪 RTK（实时运动学）方法时，从附近参考接收器获得的校正允许实现厘米级定位。今天，新一代 GNSS 校正服务正在酝酿之中，它采用另一种方法，广播整个地理区域的 GNSS 代码和载波相位校正数据，例如一个国家或整个大陆，通过互联网或卫星。

多星座和多频段接收器与新的 GNSS 校正方案相结合，以实现厘米级精度，并显着降低拥有成本，为厘米级高精度定位的新型大众市场应用铺平了道路.

也就是说，GNSS 仍然存在两个缺点：理想情况下，接收器需要位于轨道卫星的视线内才能确定位置。在室内和隧道中，服务降级甚至不可用。而且，在最好的情况下，GNSS 接收器从冷启动开始第一次明确确定其位置需要几秒钟的时间。在惯性传感器的支持下，航位推算解决方案主要针对汽车应用量身定制，大大扩展了高精度定位的范围，超出了 GNSS 信号的范围。辅助 GNSS (A-GNSS) 通过提供一种比通过 GNSS 信号本身更快的方式来检索 GNSS 轨道和时钟数据，从而加快了首次定位的速度。

5G 将如何为基于蜂窝的定位带来新的改进

3GPP 从第 15 版开始定义的下一代蜂窝技术 5G 新无线电已经在酝酿之中。 ⁹ 部分地区的终端用户最早将在 2019 年上半年率先使用基于 4G LTE 的非独立架构，三星和 Verizon、LG 和 Sprint 以及华为将在 2019 年初发布 5G 智能手机，苹果预计也会跟进2020. ¹⁰ 随后将部署独立的 5G。

几家移动网络运营商已经公开宣布从城市中心开始部署 5G 网络。美国处于领先地位。 AT&T 于 2018 年开始推出，并将持续到 2019 年，目标是年中覆盖全国。 ¹¹ 在第二个参赛国家韩国，电信公司联合宣布计划于 2019 年 3 月推出 5G。 ¹² 在英国，沃达丰宣布计划于 2020 年开始推出该技术。然而，高精度定位服务要到 2019 年底左右的 Release 16 才会成为 3GPP 5G NR 规范的一部分，最早将于 2020 年部署。

5G 背后的驱动力是多种多样的。新应用对蜂窝网络性能的可靠性、可用性、覆盖范围和延迟提出了更高的要求。移动网络运营商希望通过 5G 从垂直行业建立新的收入来源。芯片组供应商在 5G 中看到了通过许可知识产权来增加收入的机会。用户将获得他们一直要求的更高数据速率。

5G 蜂窝通信技术通过以下三个关键使用场景来满足这些不同的需求：eMBB、uRLLC 和 mMTC，我们将在下面简要介绍。

• eMBB（增强型移动宽带）将专用于蜂窝通信的频谱扩展到更高的频率，以更快的速度传输数据。
• URLLC（超可靠低延迟通信）推动了自动驾驶汽车和车联网 (V2X) 应用等新机遇。
• mMTC（大规模机器类型通信）将继续推动物联网应用在低功耗广域 (LPWA) 通信中的发展。

在这些场景中实现定位需要新的信号和新的基础设施，可用于扩展可用技术的范围， ¹³ 包括更高频率下的更大带宽、更多天线组合成复杂的天线阵列以及更密集的电信网络。目标雄心勃勃：以低于 15 毫秒的低延迟交付亚米级定位精度。

5G 提供更大的带宽和频率

3GPP 目前专注于将一系列 4G LTE 定位方法引入 5G。通常，它们使用上行链路和下行链路信号来确定各个终端设备的位置，以确定它们相对于作为锚点的移动网络天线的位置。示例是基于增强型 Cell-ID 和 TDOA 的方法。

在增强型 Cell-ID 中，终端设备监控它们与多个基站的接近程度，测量信号强度和到设备的大致传播时间。通过结合这些观察，可以计算出比仅测量最近的单元中心更好的设备位置估计。

在基于 TDOA 的方法中，终端设备准确地测量来自多个基站的信号的到达时间。使用基于观察到的接收时间之间的时间差的多点定位，该设备可以比使用增强的 Cell-ID 更准确地确定其到观察到的基站的位置。

另一类是迄今为止尚未充分利用的侧链，这是一种涉及设备到设备通信的 4G LTE 技术，可以让设备确定它们的相对位置。一个明显的用例是车对车 (V2V) 通信。

5G 的新频谱分配对于基于蜂窝的定位来说是个好消息，特别是因为可以使用更高频率的更大带宽（除了低于 6 GHz 的毫米波，还包括 24 GHz 以上的毫米波）。更大的带宽意味着可以更准确地解析信号时间（时间和带宽之间存在反比关系），因此更大的带宽提供了更好的解决多径效应的能力，多径效应是杂乱的城市和室内环境中的主要误差源，因为传输的信号不同路径到达的时间不同。

5G 向新频率的转移也影响了蜂窝基站的地理部署和所使用的天线技术，再次有利于基于蜂窝的定位。由于它们会产生更高的传播损耗，因此较短波长的覆盖范围比较长波长小，这意味着移动网络运营商将需要部署更多基站来保持覆盖范围。此外，具有波束成形功能的天线阵列的引入将有助于将信号引导至最终用户。更高密度的定向感知天线将通过测量延迟、到达角 (AoA) 和离开角 (AoD) 来提高多径分量的分辨率，从而提高定位性能。此外，使用单个基站定位设备可能成为可能。

无处不在的高精度定位需要混合方法

没有一种方法能够在所有环境条件下可靠地提供目标用例所需的准确性。正如我们所见，虽然当今基于 GNSS 的解决方案能够可靠地提供高精度定位，但它们在室内应用方面存在局限性。另一方面，基于 5G 的定位解决方案可以补充并为室内和室外场景提供准确的位置估计。

将多种蜂窝方法与非蜂窝方法最佳结合的混合解决方案，例如 GNSS、地面信标系统 (TBS)、基于 Wi-Fi 和蓝牙的测量以及惯性测量 (IMU)，最有希望实现这些目标。额外的冗余可以提高整体解决方案的容错性和完整性，从而为每个位置估计提供定量的置信度度量。

认识到混合定位解决方案对支持新应用的承诺，3GPP 的研究范围包括 GNSS 和卫星信号，以及 Wi-Fi 和蓝牙等地面信号等。由 3GPP 研究项目产生的最终解决方案旨在引入第 16 版 – 2020 年第一季度的无线电规范。

3GPP 面临的挑战

3GPP 为自己设定了雄心勃勃的目标，Release 16 计划于 2020 年上半年发布。在 5G 多样化信号格局之上实施基于蜂窝的定位解决方案将是一项复杂的工作，鼓励及时部署基础设施以实现足够广泛的覆盖范围以吸引足够大的用户群。

正如我们所见，混合定位方法对于满足新兴应用的严格需求至关重要，尤其是随着对无处不在的高精度定位的期望成为常态。这将不可避免地需要来自不同技术的代表——无论是 GNSS、蜂窝、短程、卫星通信还是其他技术——共同努力，以产生比其组成部分总和更好的结果。

作为全球导航卫星系统、短距离无线和蜂窝技术的领先供应商，u-blox 在行业中的独特地位使得 5G 定位方法的出现，特别是那些结合技术的方法，特别令人兴奋。混合定位建立在我们核心竞争力的融合之上，我们看到了巨大的创新潜力、新的性能水平和新的用例。当我们致力于加速这些不同世界的融合以提供更好、更全面的解决方案时，我们不禁期待结果。

本文由 u-blox 产品中心定位高级首席工程师 David Bartlett 合着。

参考文献

• 1) FCC 911 和 E911 服务
• 2) 欧盟立法摘要：负担得起的电信服务 - 用户的权利
• 3) 基于“蜂窝网络中定位技术的演进，从 2G 到 4G”，Rafael Saraiva Campos，Hindawi，2017 年
• 4) UE 是用户设备的简称
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09)，技术报告，第三代合作伙伴项目；技术规范组服务和系统方面；定位用例研究；阶段 1，（第 16 版）
• 7) Cooperative-ITS (HIGHTS) 的高精度定位，项目可交付成果 D2.1：用例和应用需求（2015 年 5 月 1 日）
• 8) 关于道路用户需求和要求的报告，欧洲全球导航卫星系统用户咨询平台的结果，欧洲全球导航卫星系统局 (GSA)（2018 年 10 月 18 日）
• 9) 实现 5G Phase 1 的系统架构里程碑，3GPP，（2017 年 12 月 21 日）
• 10) 顶级 5G 手机：每款 5G 手机都已发布，2019 年仍将推出
• 11) AT&T 命名了 99 个新的 5G 演进市场
• 12) 运营商负责人承诺“韩国 5G 日”
• 13) 5G 无线系统和物联网新定位方法白皮书，COST Action CA15104，IRACON；佩德森，特罗尔斯；弗勒里，伯纳德·亨利

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