5G的高精度定位

5G的高精度定位


無線電定位基於4種物理方式,包括信號擴展,基於時間,基於角度,基於頻率。主要資源包括帶寬,天線元素,頻率精度和信噪比。

Wifi的RSSI定位方法在複雜的多徑環境下,測距定位性能急劇下降,誤差可達十幾米;FTM測距精度與帶寬相關,但是沒有利用多天線,其抗多徑能力仍然受限。受制於較低的瞬時帶寬以及2.4G頻段信號擁擠造成的干擾,藍牙測向定位精度有限。UWB帶寬大於500MHz,抗多徑和抗干擾能力強,功耗低,利用超窄脈衝可實現釐米級的精確室內定位。UWB標籤雖然已經可以做到小型化,但目前沒有集成到智能手機,所以待定位目標需要單獨配備UWB標籤。UWB技術通常用於特定行業,其基站在人流密集的城市和室內環境下覆蓋率很低。


5G的高精度定位


自2016年起,3GPP在R13、R14版本持續開展針對3G和4G室內定位技術增強的研究,增強了RAT(RadioTechnology,無線電技術)定位方法,完善了非RAT的室內定位方法等。在R14標準版本的定位增強技術包括以下幾方面:

(1)共享PCI(Physical Cell Identifier,物理小區標識)場景下的OTDOA(Observed Time Differenceof Arrival,觀察到達時間差)增強。R14中,終端能夠區分共享PCI場景下的不同傳輸節點,增加了終端側可進行定位測量節點的個數,從而提高了定位精確度。


(2)基於定位參考信號的信標R14引入了只傳輸定位參考信號的傳輸節點,該特性使得終端能夠識別額外的定位參考信號,從而提高了定位精確度。


(3)定位參考信號結合CRS(Cell ReferenceSignal,小區參考信號)進行測量終端能夠結合定位參考信號和小區參考信號,獲得RSTD(Reference Signal Time Difference,參考信號時間差測量),從而改善OTDOA精確度。


(4)多徑下的TOA(Time of Arrival,到達時間)R14中,終端可以將多條路徑下的TOA上報給網絡側,網絡側可以利用該信息,補償由於多徑衰落導致的測量誤差,從而提高了定位精確度。

2019年6月,3GPP的Rel.15版TR38.885對於定位的描述為:一般用戶,80%的情況下水平定位精度不低於50米,垂直精度5米,端到端延遲低於30秒,對商業用戶為水平定位精度,室內不低於3米,室外不低於10米,垂直精度不低於3米。端到端延遲低於1秒。Rel.16版計劃做到商業用戶室外最低3米的定位精度,端到端延遲低於1秒。本來預計到今年3月底發佈,但疫情打亂了日程,估計到9月底才能完成R16版。17版計劃做到亞米級定位,端到端延遲低於100毫秒,預計2021年底發佈。R16版也支持日本的QZSS的SSR信息,可以接受,但是需要特別的解碼器。


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PRS(positioningreference signal位置參考信號)SRS(sounding reference signal 探測參考信號)LPP(LTE Positioning Protocol LTE定位協議)


基於用戶(UE)的位置測量報告包括如下


•Downlink reference signal referencepower (下行參考信號電平值DL RSRP) per beam/gNB


•Downlink reference signal timedifference (下行參考信號時間差DLRSTD)


•UE RX-TX time difference用戶接收發射時間差


基於gNB-的位置測量報告


• Uplink angle-of-arrival (上行到達角UL-AoA)

• Uplink reference-signal receive power (上行參考信號電平值UL-RSRP)

• UL relative time of arrival (上行鏈路相對到達時間UL-RTOA)

• gNB RX-TX time difference

5G在定位方面,有5大優勢,一是高載波頻率。


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二是高帶寬。


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三是天線數量極多。


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四是D2D直接通訊。


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五是網絡密度很高。


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這5大優勢最終變為UL-RTOA和UL-AoA。TDOA(TimeDifference of Arrival,信號到達時間差)和AOA(Angle of Arrival,到達角度測距)是兩種基礎的無線定位技術。從理論上分析,一方面,5G採用高頻或者毫米波通信,毫米波通信具有非常好的方向性,可以實現更高精度的測距和測角;另外一方面,5G採用大規模天線技術,具有更高分辨率的波束,也可以實現更高精度的測距和測角特性。因此,基於AOA的定位方法將比4G具有更高的精度。此外,由於5G採用了低時延、高精度同步等技術,對提升TDOA定位精度也有幫助。TDOA的誤差來源主要是時鐘誤差,降低時鐘誤差可以採用高精度晶振,但這個提升有限,要大幅度提高成本較高。AOA的的誤差是基站與終端距離的線性函數,這個容易後期補償,成本較低。因此AOA是主要方向。


5G最擅長的是室內定位 ,因為5G的穿透力比較差,大範圍定位不是5G的強項。自主代客泊車的地下停車場定位是最具備優勢的,和完全依靠概率算法的攝像頭方案比,通訊的物理定位準確度、穩定性和魯棒性強之百倍。地下停車場照度低,光線變化劇烈,非常不適合基於攝像頭的方案。還有基於物流倉庫的室內定位,水平與垂直都要求精度是5-10釐米,遠不是攝像頭能做到的,UWB方案則成本較高,也有頻譜問題。


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通信網和定位網可以合二為一,提高網絡利用率,分攤部分成本。低成本是其最大優勢。定位網元可以和基站共站,支持常規的一體化的通信和定位覆蓋;定位設備也可以以獨立定位設備形態存在,支持獨立的定位增強覆蓋網絡;可以支持異構定位網,包括帶內定位網、共頻帶定位技術、TBS、Wi-Fi等;各種定位網絡支持接入5G網絡,在終端或者定位服務器中進行融合定位。因為目前標準基站之間接口無法支持高精度同步,應此必須增加高精度同步網絡單元。


2019年10月,華為、香港電訊(HKT)和全球移動供應商協會(GSA)聯合發佈《室內5G場景化白皮書》,其中就提到高精度室內定位,目前已經能達到亞米級。2020年2月29日,華為召開5G室內覆蓋新產品與解決方案線上發佈會,重磅推出5G室內數字化家族系列全新產品和解決方案,包含升級版5G LampSite、5G LightSite,和5G室內覆蓋解決方案LampSiteEE(Enterprise Edition)。華為面向行業場景發佈的LampSite EE解決方案,包含有5大功能集:5G室內超寬帶、5G室內精準定位、5G工業級超低時延、5G室內高可靠性、5G工業級高密併發連接。


2020年3月19日,高通則發表了自己的室內定位視頻。


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室內共有5個TRP(發射與接收點),每個使用定向天線,4X4MIMO陣列,400MHz帶寬,中心頻率6.225GHz。


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水平定位精度基本保持在10釐米左右,垂直定位精度略低。


如果在高速公路這樣的開放空間,利用V2X網絡也可以做大範圍的高精度定位。而室內的高精度定位顯然用5G是最合適的。



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