李健翔
(大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司,北京 100083)
(1)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位起源
移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)最早起源于美國,1996 年,美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)強(qiáng)制要求所有無線業(yè)務(wù)提供商,在移動(dòng)用戶出發(fā)緊急呼叫時(shí),必須向公共安全服務(wù)系統(tǒng)提供用戶的位置信息和終端號(hào)碼,以便對用戶實(shí)施緊急救援工作,并要求到2001 年10 月,67%的呼叫定位精度達(dá)到125 m。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)這一規(guī)定,明確了提供E-911 定位服務(wù)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)必備的基礎(chǔ)功能。此后,日本、德國、法國、瑞典、芬蘭等國家紛紛推出各種各具特色的商用定位業(yè)務(wù)。隨著我國移動(dòng)通信的蓬勃發(fā)展,基于位置的業(yè)務(wù)近年來在我國消費(fèi)者領(lǐng)域呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長。
(2)5G 垂直領(lǐng)域?qū)Χㄎ粯I(yè)務(wù)的需求分析
在4G 通信網(wǎng)中,利用LTE 移動(dòng)通信系統(tǒng)提供的位置服務(wù),主要的應(yīng)用場景有如下三類:
場景一:緊急救援,如緊急救護(hù)、緊急呼叫場景下對用戶的定位。
場景二:各種基于位置的信息服務(wù),如車載GPS 的應(yīng)用、交通信息、天氣信息、導(dǎo)航信息和導(dǎo)游服務(wù)等。
場景三:基于位置觸發(fā)的服務(wù),如基于位置的管理信息和計(jì)費(fèi)等;或者跟蹤及資產(chǎn)管理服務(wù),如車輛調(diào)度/跟蹤/監(jiān)控/防盜、物資跟蹤和老人兒童監(jiān)護(hù)服務(wù)等。
在5G 移動(dòng)通信中,根據(jù)5G 應(yīng)用及業(yè)務(wù)特點(diǎn),預(yù)計(jì)有如下定位場景需求[1]:
場景一:基于位置的信息服務(wù),比如基于位置的廣告業(yè)務(wù),共享單車、AR 的精確定位等。
場景二:工業(yè)和電子醫(yī)療領(lǐng)域位置服務(wù),比如工業(yè)應(yīng)用資產(chǎn)管理與追溯、遙感遙測終端、病人監(jiān)管等。
場景三:緊急救援服務(wù)。
場景四:道路相關(guān)服務(wù),如交通管制、道路收費(fèi)管理等。
場景五:鐵路、海洋等領(lǐng)域相關(guān)位置服務(wù)。
場景六:空中領(lǐng)域相關(guān)位置服務(wù),比如無人機(jī)(UAV)精確定位或無人空間監(jiān)視。
場景七:多種定位方式的位置服務(wù)。
通過5G 與4G 定位業(yè)務(wù)場景對比分析,可以看到,5G 定位業(yè)務(wù)場景更豐富,其覆蓋度、精確度、時(shí)延、移動(dòng)速度等各方面指標(biāo)要求遠(yuǎn)高于4G。從消費(fèi)者領(lǐng)域轉(zhuǎn)移到了更為廣泛的垂直領(lǐng)域,特別是室內(nèi)定位業(yè)務(wù)的訴求越來越多,精度要求和移動(dòng)速度指標(biāo)大大提升。目前位置信息服務(wù)(LBS,Location-Based Service)在國防軍事、交通運(yùn)輸、公共安全等領(lǐng)域作用日益凸顯。
現(xiàn)有4G 移動(dòng)通信網(wǎng)相關(guān)的定位技術(shù)主要有:
(1)基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的輔助式全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)A-GNSS。3GPP 協(xié)議框架下的A-GNSS包括了北美的全球?qū)Ш较到y(tǒng)GPS,中國的北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng),俄羅斯的GLONASS,歐盟的Galileo,以及印度、法國、日本等其他區(qū)域性系統(tǒng)。
(2)基于4G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的OTDOA 和E-CID 技術(shù)。
(3)基于Wi-Fi、藍(lán)牙、傳感器等獨(dú)立于移動(dòng)通信網(wǎng)的定位技術(shù)。
目前產(chǎn)業(yè)界應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)是A-GNSS 技術(shù),通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)播發(fā)衛(wèi)星數(shù)據(jù),能夠幫助定位終端快速搜星,極大降低了定位時(shí)延,減少了終端功耗,提高了定位效率。
但是A-GNSS 的缺陷為在室內(nèi)和密集城區(qū)中衛(wèi)星信號(hào)弱,終端搜星困難。目前還沒有一種單一的定位技術(shù)能夠滿足上述5G 定位場景的所有需求。因此,在5G 網(wǎng)絡(luò)將定位技術(shù)研究重點(diǎn)放在了不能滿足定位要求的場景上(圖1)[2]。特別是室內(nèi)覆蓋和密集覆蓋場景,是急需提升性能的場景。同時(shí),這兩類場景也是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋相對密集的區(qū)域。在5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下,利用蜂窩網(wǎng)進(jìn)一步提升定位精度在5G 網(wǎng)絡(luò)成為了可能。
圖1 5G定位需求場景
5G 通信以高速率、低時(shí)延、大量連接等為特征,其關(guān)鍵技術(shù)包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址、全頻譜接入和新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。5G 普遍采用毫米波通信,由于毫米波優(yōu)良的方向性,可以實(shí)現(xiàn)精確的測角、測距等,能得到比4G 定位方法更高的精度,從而實(shí)現(xiàn)精確的基站定位。大規(guī)模天線技術(shù)具有更高的自由度,可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測距和測角特性,特別是基于AOA 的定位方法在5G 將會(huì)具有更高的精度?;贒L-TDOA 和UL-TDOA、小區(qū)ID 或E-CID 等已知定位技術(shù),利用定時(shí)測量來定位UE,帶來了新的性能界限(特別是在高頻帶使用寬帶信號(hào))。
同時(shí),新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也為高精度定位服務(wù)帶來了低延遲、高可靠性和高通信服務(wù)的可用性。
這里對新的5G 定位技術(shù)的需求總結(jié)如下:
(1)希望新的5G 定位技術(shù)既能支持室內(nèi),又能支持室外場景定位需求。
(2)希望新的5G 定位技術(shù)利用好5G 網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、大規(guī)模天線陣列和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,以支持網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模的終端定位需求。
(3)希望新的5G 定位技術(shù)應(yīng)該既能支持基于5G NR 信號(hào)的無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù),又能支持非NR 信號(hào)的定位,例如GNSS、藍(lán)牙、Wi-Fi、TBS、傳感器等。并且這些基于NR 信號(hào)和非基于NR 的定位技術(shù)還可以混合使用,以進(jìn)一步適應(yīng)定位場景和定位精度需求。
面向5G 定位場景需求,基于5G 網(wǎng)絡(luò)的高精度定位技術(shù)孕育而生。5G 網(wǎng)絡(luò)定位相關(guān)規(guī)范在3GPP 標(biāo)準(zhǔn)制定中分為兩個(gè)階段,第一個(gè)階段是將LTE 網(wǎng)絡(luò)中的定位技術(shù)平滑移植到NR(5G)網(wǎng)絡(luò),NR R15 版本中已經(jīng)體現(xiàn)。第二階段是針對5G 新增場景需求,面向5G 新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),提出新的高精度定位方法和定位架構(gòu)(圖2),將在R16 版本中實(shí)現(xiàn)。
圖2 5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
圖2 中,TP 為定位信號(hào)發(fā)射點(diǎn);TRP 為定位信號(hào)發(fā)射接收點(diǎn)。
5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)包含了如下三大類技術(shù):
第一類,基于5G 無線接入網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),包括:
(1)下行到達(dá)時(shí)間觀測差定位法(DL-TDOA,Downlink Time Difference of Arrival);
(2)多小區(qū)往返時(shí)間定位法(Multi-RTT,Multiplecell-Round Trip Time);
(3)上行到達(dá)時(shí)間觀測差定位法(UL-TDOA,UplinkTime Difference of Arrival);
(4)下行角度定位法(DL-AoD);
(5)上行到達(dá)角度定位法(UL-AoA,Uplink Angle of Arrival);
(6)增強(qiáng)小區(qū)標(biāo)識(shí)定位法(E-CID,Enhanced Cell ID)。
可以看到,相對于4G 無線通信系統(tǒng)的OTDOA 和E-CID定位技術(shù),基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在5G 時(shí)代大幅增強(qiáng)了。
第二類,獨(dú)立于無線接入網(wǎng)的定位技術(shù),包括:
(1)輔助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位(A-GNSS,Network-Assisted GNSS Methods);
(2)基于藍(lán)牙(Bluetooth)的定位;
(3)基于Wi-Fi 的定位;
(4)基于傳感器的定位:慣性測量單元(IMU,Inertial Measurement Unit)等。
在R16 版本中,大唐移動(dòng)將我國自主研發(fā)的北斗新一代全球?qū)Ш较到y(tǒng)——北斗三號(hào),引入了5G 系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信領(lǐng)域支持北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng),為我國自主全球?qū)Ш降漠a(chǎn)業(yè)應(yīng)用鋪墊了基石。
第三類,基于無線接入網(wǎng)和獨(dú)立于無線接入網(wǎng)的定位技術(shù)的混合定位。
DL-TDOA 與4G OTDOA 原理類似,終端測量兩個(gè)站點(diǎn)下行參考信號(hào)到終端的時(shí)間差(圖3),并上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)。定位服務(wù)器根據(jù)多個(gè)參考信號(hào)時(shí)間差RSTD(Reference Signal Time Difference),利用羅蘭導(dǎo)航技術(shù)的逆應(yīng)用,已知時(shí)間差和基站位置,解方程組,從而獲得終端位置估計(jì)。
5G 的大規(guī)模天線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測距以及更多的方向信息,進(jìn)一步優(yōu)化定位算法。
Rel-16 NR 標(biāo)準(zhǔn)沒有定義NR DL-TDOA 定位的具體算法。終端測量兩個(gè)TRP(其中一個(gè)為參考TRP)發(fā)射的下行定位參考信號(hào)(DL PRS)的到達(dá)時(shí)間之差(RSTD),由每個(gè)測量值(DL PRS RSTD)轉(zhuǎn)換為距離,從而構(gòu)成一條雙曲線,雙曲線的焦點(diǎn)為這兩個(gè)TRP 所在的位置,雙曲線上的任意點(diǎn)到兩個(gè)TRP 的距離之差為RSTD 測量值,UE即位于雙曲線之上的某個(gè)點(diǎn)。若UE 由N個(gè)TRP 獲得N-1個(gè)DL PRS RSTD 測量值,則可構(gòu)成一個(gè)有N-1 個(gè)雙曲線方程的方程組,UE 的位置可由解算該雙曲線方程組得到。圖3 顯示了一個(gè)用NR DL-TDOA 進(jìn)行定位的例子,其中UE 由3 個(gè)TRP 得到2 個(gè)DL PRS RSTD 測量值RTSD2,1和RTSD3,1(TRP1 為參考TRP),由RTSD2,1和RTSD3,1構(gòu)成條2 個(gè)雙曲線,UE 位置可由解算這2 個(gè)雙曲線的交點(diǎn)得到。
圖3 NR DL-TDOA定位方法
一般而言,每個(gè)DL PRS RSTD 測量值都有一定的測量誤差。因而,利用NR DL-TDOA 定位時(shí),希望UE 能從較多的TRP 獲得更多和更準(zhǔn)確的RSTD 測量值,以降低測量誤差對UE 位置解算的影響,得到更準(zhǔn)確的UE 位置。這要求合理和優(yōu)化地設(shè)計(jì)DL PRS 信號(hào)(如信號(hào)序列、映射模式和靜音模式等),讓UE 由盡可能多的TRP 接收到DL PRS 信號(hào)并獲得準(zhǔn)確的RSTD 測量值。
Multi-cell RTT 技術(shù)是5G 新引入的高精度定位技術(shù)?;诘竭_(dá)時(shí)間TOA 的原理,終端以基站為圓心,確定終端二維坐標(biāo)需要3 個(gè)圓,終端在3 個(gè)圓的交點(diǎn)(圖4)。終端測量下行參考信號(hào),獲得發(fā)送接收時(shí)間差;基站測量單元捕獲上行參考信號(hào),測量發(fā)送接收時(shí)間差,匯總到定位服務(wù)器,解方程組。以往移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)定位DL-TDOA技術(shù)要求各個(gè)基站嚴(yán)格同步,但Multi-cell RTT 技術(shù)不依賴基站間的嚴(yán)格同步,測量精度不會(huì)受到基站間的同步精度的影響,但是需要終端知道信號(hào)開始傳輸?shù)拇_切時(shí)刻。
圖4 Multi-RTT定位方法
TOA 原理:根據(jù)測量接收信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的到達(dá)時(shí)間,然后轉(zhuǎn)換為距離,從而進(jìn)行定位。該方法至少需要三個(gè)基站,才能計(jì)算目標(biāo)的位置。
NR Multi-RTT 定位方法采用的測量值,為UE 測量的來自各TRP 的DL PRS 的到達(dá)時(shí)間與UE 發(fā)送定位參考信號(hào)(SRS-Pos)的時(shí)間差(稱為UE Rx-Tx 時(shí)間差),和各個(gè)TRP 所測量的,來自UE 的SRS-Pos 的到達(dá)時(shí)間與TRP發(fā)送DL PRS 的時(shí)間差(稱為gNB Rx-Tx 時(shí)間差)。如圖5 所示,UE 與某TRP 之間的信號(hào)往返行程時(shí)間(RTT),可由UE 由該TRP 的DL PRS 所測量的UE Rx-Tx 時(shí)間差加上該TRP 由該UE 的SRS-Pos 所測量的 gNB Rx-Tx 時(shí)間差得到,而UE 與該TRP 的距離可由1/2 RTT 乘以光速得到。
圖5 信號(hào)往返行程時(shí)間(RTT)示意圖
UL-TDOA 與DL-TDOA 原理類似,但它是基于上行定位參考信號(hào)的定位技術(shù)。由基站測量終端發(fā)射的信號(hào)到達(dá)不同基站的傳輸時(shí)間差,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上行參考信號(hào),多個(gè)基站測量終端到達(dá)時(shí)間差(圖6),然后把測量值上報(bào)給定位服務(wù)器,利用雙曲線算法計(jì)算出UE 的位置。
圖6 UL-TDOA定位方法
在NR UL-TDOA 定位方法中,服務(wù)基站首先要給UE 配置發(fā)送上行鏈路定位參考信號(hào)(SRS-Pos)的時(shí)間和頻率資源,并將SRS-Pos 的配置信息通知給定位服務(wù)器。定位服務(wù)器(LMF)將SRS-Pos 的配置信息發(fā)給UE 周圍的TRP。各TRP 根據(jù)SRS-Pos 的配置信息去檢測UE 發(fā)送的SRS-Pos 并獲取SRS-Pos 到達(dá)時(shí)間與TRP本身參考時(shí)間的相對時(shí)間差(UL RTOA)。UL-TDOA一般采用基于網(wǎng)絡(luò)的定位方式,即各TRP 將所測量的UL RTOA 傳送給LMF,由LMF 利用各TRP 提供的UL RTOA 以及其他已知信息(例如TRP 的地理坐標(biāo))來計(jì)算UE 的位置。
終端測量上報(bào)下行參考信號(hào)到達(dá)終端的接收功率,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)發(fā)送波束方向來估計(jì)終端的位置角度。5G 采用的大規(guī)模天線技術(shù),具有更高的自由度,可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測距和測角特性。在NR DL-AOD 定位方法中,UE根據(jù)定位服務(wù)器(LMF)提供的周圍TRP 發(fā)送下行定位參考信號(hào)DL PRS 的配置信息,來測量各TRP 的DL PRS信號(hào),并將DL PRS RSRP 測量值上報(bào)給LMF。LMF 利用UE 上報(bào)的DL PRS RSRP 以及其他已知信息(例如各TRP 的各個(gè)DL PRS 的發(fā)送波束方向)來確定UE 相對各TRP 的角度,即DL-AOD,然后利用所得的DL-AOD 以及各TRP 的地理坐標(biāo)來計(jì)算UE 的位置。
網(wǎng)絡(luò)根據(jù)上行參考信號(hào),多個(gè)基站測量終端發(fā)射的參考信號(hào)到達(dá)基站的方向。每個(gè)方向就是一條終端指向基站的直線,通過多個(gè)基站測量就可以得到多條直線,這些直線的交點(diǎn)即為待定位終端的估計(jì)位置,解方程組,獲得終端位置。5G 采用的大規(guī)模天線技術(shù)具有更高的自由度,可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測距和測角特性。
Rel-16 NR 標(biāo)準(zhǔn)既沒定義TRP 如何由UE SRS-Pos獲取UL AOA,也沒有定義LMF 如何由UL AOA 來確定UE 的位置。估計(jì)UL AOA 的算法有多種,簡單的方法是直接用接收波束的方向來作為UL AOA。這種簡單方法的角度估計(jì)分辨率較低。分辨率較高的方法是通過接收天線陣列接收UL SRS-Pos 信號(hào)(圖7),利用信號(hào)和噪聲子空間之間的正交性,通過有效的算法(例如MUSIC、ESPRIT 等)將觀察空間分解成兩個(gè)子空間:信號(hào)子空間和噪聲子空間,并由信號(hào)子空間估計(jì)SRS 信號(hào)的到達(dá)方向UL AOA。一旦獲得UL AOA,就可利用已有的算法來計(jì)算出UE 的位置(圖7)。
圖7 NR UL-AOA定位示意圖
Cell-ID 是過去3G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種定位技術(shù),定位算法利用手機(jī)所處蜂窩小區(qū)和小區(qū)覆蓋半徑來進(jìn)行粗略估算,后來LTE 結(jié)合了時(shí)間提前量和方位到達(dá)角進(jìn)一步提升定位精度。
在5G 網(wǎng)絡(luò)下,利用大規(guī)模多天線技術(shù),根據(jù)測量終端發(fā)送信號(hào)及方向(圖8),聯(lián)合終端所在小區(qū)ID 信息,計(jì)算目標(biāo)的位置。常用的方法是由UE 所上報(bào)的RRM 測量值(參考信號(hào)接收功率或參考信號(hào)接收質(zhì)量),結(jié)合假設(shè)的信道路徑損耗模型推導(dǎo)出UE 與發(fā)送參考信號(hào)的TRP之間的距離,然后由TRP 的地理坐標(biāo)、UE 與TRP 的距離以及TRP 參考信號(hào)發(fā)送方向計(jì)算出UE 的位置。由于假設(shè)的信道路徑損耗模型與真實(shí)信道路徑損耗的差異,以及RRM 測量值的測量誤差,所推導(dǎo)的UE 和TRP 之間的距離與UE 和TRP 之間的真實(shí)距離誤差一般較大,因而E-CID 定位的精度相對于NR 的其他定位方法較低。
圖8 E-CID定位方法
3GPP 組織通過對基于5G 無線信號(hào)的定位技術(shù)的初步評估,主要考慮政策監(jiān)管需求和商業(yè)應(yīng)用需求。以覆蓋80% 的用戶為基準(zhǔn)定義了最低性能目標(biāo)[3]:針對政策監(jiān)管的常規(guī)定位需求,水平方向的定位誤差小于50 m,垂直方向的定位誤差小于5 m,定位時(shí)延小于30 s;針對商業(yè)應(yīng)用定位需求,水平方向的定位誤差室內(nèi)小于3 m,室外小于10 m,垂直方向的定位誤差小于3 m,定位時(shí)延小于1 s。
3GPP 給出了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的5G 候選定位技術(shù)方案的精度性能的評估結(jié)果[3]:
(1)面向室內(nèi)覆蓋場景,上述六種定位技術(shù)能夠滿足政策監(jiān)管需求(美國911 緊急呼叫)和商業(yè)應(yīng)用需求。
(2)面向密集城區(qū)微蜂窩覆蓋場景,上行AoA 定位技術(shù)無法支持商業(yè)應(yīng)用需求。
(3)面向宏站覆蓋場景,下行技術(shù)能夠滿足5G 的政策監(jiān)管需求和商業(yè)應(yīng)用需求,但是上行技術(shù)無法滿足政策監(jiān)管需求和商業(yè)需求,Multi RTT 無法滿足室外終端的商業(yè)應(yīng)用需求。
(4)上行和下行的定位技術(shù)方案的精度最高到米級,無法達(dá)到分米級甚至厘米級的定位精度。
從目前高精度定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來看,5G 移動(dòng)定位的部署趨勢將是通信定位一體化、本地化:
(1)一體化:基于現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò),建設(shè)一個(gè)基于移動(dòng)通信網(wǎng)的高精度天地一體化定位網(wǎng)絡(luò)。定位發(fā)射單元測量單元與通信設(shè)備一體化,利用傳統(tǒng)的室內(nèi)分布系統(tǒng),建設(shè)基于移動(dòng)通信信號(hào)的定位發(fā)射單元和測量接收單元,低成本地建設(shè)地面高精度覆蓋網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位覆蓋訴求。
(2)本地化:將傳統(tǒng)的基于核心網(wǎng)的定位服務(wù)功能單元進(jìn)行本地化處理。定位服務(wù)器功能下沉到無線接入網(wǎng)單元,本地完成位置估算存儲(chǔ)功能,提升定位服務(wù)功能在移動(dòng)通信網(wǎng)中的快速部署、升級、響應(yīng)能力。
隨著移動(dòng)定位業(yè)務(wù)從4G 走向5G,從消費(fèi)者領(lǐng)域走向垂直領(lǐng)域,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景和車聯(lián)網(wǎng)場景的高精度定位訴求將是后續(xù)高精度定位發(fā)展場景。以下是目前3GPP 計(jì)劃重點(diǎn)研究的高精度定位場景需求:
(1)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的場景下(特別是工廠/ 園區(qū)內(nèi)),由于工業(yè)化操作和移動(dòng)資產(chǎn)的管理,對定位精度需求定位精度要求將會(huì)在20 cm 之內(nèi),甚至更低。
(2)在車聯(lián)網(wǎng)場景下,對車輛間相對位置定位的精度要求將會(huì)在0.5 m 之內(nèi),車輛前后位置定位精度將會(huì)在0.1 m 之內(nèi)。
(3)總體定位時(shí)延將控制在100 ms 之內(nèi),在IIOT 中一些實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的場景下,定位時(shí)延希望在10 ms 之內(nèi)。
(4)亞米級精度是未來定位場景的普遍需求。