5G移动通信网的定位技术发展趋势.docx 16页

【摘? 要】为满足5G架构下移动定位市场的高精度定位特性和需求，提出了基于5G移动通信网络的定位网络架构，重点设计了基于5G信号的高精度定位技术方案。通过技术性能评估证明，利用蜂窝网进一步提升定位精度在5G网络中成为可能。预测5G移动定位的部署趋势将是通信定位一体化、本地化，工业物联网和车联网场景下对高精度定位的需求，将是后续高精度定位重点发展的方向。【关键词】5G定位服务；DL-TDOA；多小区往返时间定位；高精度定位0? ?引言（1）移动通信网络定位起源移动通信网络定位技术最早起源于美国，1996年，美国联邦通信委员会（FCC）强制要求所有无线业务提供商，在移动用户出发紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度达到125 m。美国联邦通信委员会这一规定，明确了提供E-911定位服务是移动通信网络必备的基础功能。此后，日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家纷纷推出各种各具特色的商用定位业务。随着我国移动通信的蓬勃发展，基于位置的业务近年来在我国消费者领域呈现了爆发式增长。（2）5G垂直领域对定位业务的需求分析在4G通信网中，利用LTE移动通信系统提供的位置服务，主要的应用场景有如下三类：场景一：紧急救援，如紧急救护、紧急呼叫场景下对用户的定位。

场景二：各种基于位置的信息服务，如车载GPS的应用、交通信息、天气信息、导航信息和导游服务等。场景三：基于位置触发的服务，如基于位置的管理信息和计费等；或者跟踪及资产管理服务，如车辆调度/跟踪/监控/防盗、物资跟踪和老人儿童监护服务等。在5G移动通信中，根据5G应用及业务特点，预计有如下定位场景需求[1]：场景一：基于位置的信息服务，比如基于位置的广告业务，共享单车、AR的精确定位等。场景二：工业和电子医疗领域位置服务，比如工业应用资产管理与追溯、遥感遥测终端、病人监管等。场景三：紧急救援服务。场景四：道路相关服务，如交通管制、道路收费管理等。场景五：铁路、海洋等领域相关位置服务。场景六：空中领域相关位置服务，比如无人机（UAV）精确定位或无人空间监视。场景七：多种定位方式的位置服务。通过5G与4G定位业务场景对比分析，可以看到，5G定位业务场景更丰富，其覆盖度、精确度、时延、移动速度等各方面指标要求远高于4G。从消费者领域转移到了更为广泛的垂直领域，特别是室内定位业务的诉求越来越多，精度要求和移动速度指标大大提升。目前位置信息服务（LBS, Location-Based Service）在国防军事、交通运输、公共安全等领域作用日益凸显。

1? ?移动通信网高精度定位技术1.1? 4G通信网络定位技术现状现有4G移动通信网相关的定位技术主要有：?（1）基于全球导航卫星系统（GNSS）的辅助式全球卫星导航系统A-GNSS。3GPP协议框架下的A-GNSS包括了北美的全球导航系统GPS，中国的北斗全球导航系统，俄罗斯的GLONASS，欧盟的Galileo，以及印度、法国、日本等其他区域性系统。（2）基于4G移动通信网络的OTDOA和E-CID技术。（3）基于Wi-Fi、蓝牙、传感器等独立于移动通信网的定位技术。目前产业界应用最广泛的定位技术是A-GNSS技术，通过移动网络播发卫星数据，能够帮助定位终端快速搜星，极大降低了定位时延，减少了终端功耗，提高了定位效率。但是A-GNSS的缺陷为在室内和密集城区中卫星信号弱，终端搜星困难。目前还没有一种单一的定位技术能够满足上述5G定位场景的所有需求。因此，在5G网络将定位技术研究重点放在了不能满足定位要求的场景上（图1）[2]。特别是室内覆盖和密集覆盖场景，是急需提升性能的场景。同时，这两类场景也是移动通信网络覆盖相对密集的区域。在5G网络架构下，利用蜂窝网进一步提升定位精度在5G网络成为了可能。

1.2? 5G网络定位新特性5G通信以高速率、低时延、大量连接等为特征，其关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等。5G普遍采用毫米波通信，由于毫米波优良的方向性，可以实现精确的测角、测距等，能得到比4G定位方法更高的精度，从而实现精确的基站定位。大规模天线技术具有更高的自由度，可以实现更高精度的测距和测角特性，特别是基于AOA的定位方法在5G将会具有更高的精度。基于DL-TDOA和UL-TDOA、小区ID或E-CID等已知定位技术，利用定时测量来定位UE，带来了新的性能界限（特别是在高频带使用宽带信号）。同时，新的网络架构也为高精度定位服务带来了低延迟、高可靠性和高通信服务的可用性。这里对新的5G定位技术的需求总结如下：（1）希望新的5G定位技术既能支持室内，又能支持室外场景定位需求。（2）希望新的5G定位技术利用好5G网络的高带宽、大规模天线阵列和网络传输功能，以支持网络中大规模的终端定位需求。（3）希望新的5G定位技术应该既能支持基于5G NR信号的无线网络定位技术，又能支持非NR信号的定位，例如GNSS、蓝牙、Wi-Fi、TBS、传感器等。

并且这些基于NR信号和非基于NR的定位技术还可以混合使用，以进一步适应定位场景和定位精度需求。2? ?5G定位网络架构面向5G定位场景需求，基于5G网络的高精度定位技术孕育而生。5G网络定位相关规范在3GPP标准制定中分为两个阶段，第一个阶段是将LTE网络中的定位技术平滑移植到NR（5G）网络，NR R15版本中已经体现。第二阶段是针对5G新增场景需求，面向5G新的网络架构，提出新的高精度定位方法和定位架构（图2），将在R16版本中实现。图2中，TP为定位信号发射点；TRP为定位信号发射接收点。5G移动通信网络的定位技术包含了如下三大类技术：第一类，基于5G无线接入网络的定位技术，包括：（1）下行到达时间观测差定位法（DL-TDOA, Downlink Time Difference of Arrival）；（2）多小区往返时间定位法（Multi-RTT, Multiplecell- Round Trip Time）；（3）上行到达时间观测差定位法（UL-TDOA, UplinkTime Difference of Arrival）；（4）下行角度定位法（DL-AoD）；（5）上行到达角度定位法（UL-AoA, Uplink Angle of Arrival）；（6）增强小区标识定位法（E-CID, Enhanced Cell ID）。

可以看到，相对于4G无线通信系统的OTDOA和E-CID定位技术，基于移动通信网络定位技术在5G时代大幅增强了。第二类，独立于无线接入网的定位技术，包括：（1）辅助全球导航卫星系统定位（A-GNSS, Network-Assisted GNSS Methods）；（2）基于蓝牙（Bluetooth）的定位；（3）基于Wi-Fi的定位；（4）基于传感器的定位：惯性测量单元（IMU, Inertial Measurement Unit）等。在R16版本中，大唐移动将我国自主研发的北斗新一代全球导航系统——北斗三号，引入了5G系统，实现了移动通信领域支持北斗全球导航系统，为我国自主全球导航的产业应用铺垫了基石。第三类，基于无线接入网和独立于无线接入网的定位技术的混合定位。3? ?基于5G信号的高精度定位技术方案3.1? 下行到达时间观测差定位法DL-TDOADL-TDOA与4G OTDOA原理类似，终端测量两个站点下行参考信号到终端的时间差（图3），并上报给网络。定位服务器根据多个参考信号时间差RSTD（Reference Signal Time Difference），利用罗兰导航技术的逆应用，已知时间差和基站位置，解方程组，从而获得终端位置估计。

5G的大规模天线技术可以实现更高精度的测距以及更多的方向信息，进一步优化定位算法。Rel-16 NR标准没有定义NR DL-TDOA定位的具体算法。终端测量两个TRP（其中一个为参考TRP）发射的下行定位参考信号（DL PRS）的到达时间之差（RSTD），由每个测量值（DL PRS RSTD）转换为距离，从而构成一条双曲线，双曲线的焦点为这两个TRP所在的位置，双曲线上的任意点到两个TRP的距离之差为RSTD测量值，UE即位于双曲线之上的某个点。若UE由N个TRP获得N-1个DL PRS RSTD测量值，则可构成一个有N-1个双曲线方程的方程组，UE的位置可由解算该双曲线方程组得到。图3显示了一个用NR DL-TDOA进行定位的例子，其中UE由3个TRP得到2个DL PRS RSTD测量值RTSD2,1和RTSD3,1（TRP1为参考TRP），由RTSD2,1和RTSD3,1构成条2个双曲线，UE位置可由解算这2个双曲线的交点得到。一般而言，每个DL PRS RSTD测量值都有一定的测量误差。因而，利用NR DL-TDOA定位时，希望UE能从较多的TRP获得更多和更准确的RSTD测量值，以降低测量误差对UE位置解算的影响，得到更准确的UE位置。

这要求合理和优化地设计DL PRS信号（如信号序列、映射模式和静音模式等）5g 定位，让UE由尽可能多的TRP接收到DL PRS信号并获得准确的RSTD测量值。3.2? 多小区往返时间定位法Multi-cell RTT?Multi-cell RTT 技术是5G新引入的高精度定位技术。基于到达时间TOA的原理，终端以基站为圆心，确定终端二维坐标需要3个圆，终端在3个圆的交点（图4）。终端测量下行参考信号，获得发送接收时间差；基站测量单元捕获上行参考信号，测量发送接收时间差，汇总到定位服务器，解方程组。以往移动通信网络定位DL-TDOA技术要求各个基站严格同步，但Multi-cell RTT技术不依赖基站间的严格同步，测量精度不会受到基站间的同步精度的影响，但是需要终端知道信号开始传输的确切时刻。TOA原理：根据测量接收信号在基站和移动台之间的到达时间，然后转换为距离，从而进行定位。该方法至少需要三个基站，才能计算目标的位置。NR Multi-RTT定位方法采用的测量值，为UE测量的来自各TRP的DL PRS的到达时间与UE发送定位参考信号（SRS-Pos）的时间差（称为UE Rx-Tx时间差），和各个TRP所测量的，来自UE的SRS-Pos的到达时间与TRP发送DL PRS的时间差（称为gNB Rx-Tx时间差）。如图5所示，UE与某TRP之间的信号往返行程时间（RTT），可由UE由该TRP的DL PRS所测量的UE Rx-Tx时间差加上该TRP由该UE的SRS-Pos所测量的 gNB Rx-Tx时间差得到，而UE与该TRP的距离可由1/2 RTT

（编辑：应用网_镇江站长网）

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