5G网络是如何提高位置感知能力的？

3GPP Release 16 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混合定位的形式。

你相信你的GPS吗？你会准备盲从吗？虽然我们很少这么想，但我们智能手机或汽车中全球导航卫星系统 （GNSS） 接收器的位置读数是一个统计量。它告诉您，以给定的概率（例如 50%），您在指定的距离（例如 1 米）内。最终，您与所提供信息的关系取决于您愿意对设备提供的输出有多大信心。

全球导航卫星系统 （GNSS）

GNSS 长期以来一直是用户设备准确位置估计的唯一来源。但随着应用程序变得更加广泛、多样化和安全关键，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 并不是唯一可用的位置信息来源。具有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 技术结构中经常被忽视的组成部分，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，同时考虑到不同行业垂直领域的需求。

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：为了将传入呼叫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最终用户连接到了哪些特定的蜂窝基站。

这种情况在 1999 年发生了变化，当时美国监管机构提出了对高精度位置估计的要求以启用紧急服务，这导致了第一代基于蜂窝技术的专用定位服务。1欧盟在 2002 年效仿美国。2从那时起，定位服务的范围随着蜂窝技术的不断发展而扩大，主要由行业需求驱动并由 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的不同组合，以及定位卫星等外部资源。

下表概述了主要的 4G LTE 定位服务。3

表 1. 主要 4G LTE 定位服务

新用例和需求

虽然基于位置的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性和精度以实现新一代商业动机的基于位置的服务。

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位置，以及 UE-based，其中 UE 计算自己的位置以用于导航和引导。 4

与此同时，物联网 （IoT） 渗透到我们经济和社会生活的方方面面，对定位技术的覆盖范围和可靠性的期望越来越高。而今天，我们希望几乎在任何地方都能访问高速互联网，而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重新审视其即将发布的版本中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） 以及消费者和专业的可穿戴设备。

总体而言，5G 技术旨在提供各种基于蜂窝和混合定位服务，提供绝对和相对定位，具体取决于每个特定用例的需求。至关重要的位置信息应该以可以放在读数上的置信度来衡量。尚未完全定义和商定的关键要求是水平和垂直精度、相对精度（附近设备之间）、首次修复时间、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提出的需求，特别是在垂直行业中：（i） 无人机任务和操作，（ii） IIoT 跟踪应用程序，以及 （iii） 自动车辆导航。前两个用例引用的值来自 3GPP TR 22.872 技术报告。6用于汽车用例的那些包括广泛的特定应用程序，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

过去几年，基于卫星的定位一直在快速发展。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）来确定其位置。现在有更多的操作系统，包括欧洲伽利略和中国北斗系统，以及在原来的两个系统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 一代接收器，正在成为常态。结果，接收器能够“看到”更多的卫星，即使在天空的大部分被遮挡的情况下，例如在城市（或实际）峡谷中，

最初，GNSS 接收器使用在单个频段上传输的卫星信号来估计其位置。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速时引起的。由于此延迟与平方频率的倒数成正比，因此使用来自其他频带的信号可以帮助确定和纠正电离层误差。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 降低到不到 1 米。

GNSS 定位质量长期以来一直受益于商业 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监控传入的 GNSS 信号，并将定制的校正信息传输给最终用户并收取费用。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，从附近的参考接收器获得的校正可以实现厘米级定位。今天，新一代 GNSS 校正服务正在形成，它采用另一种方法，通过互联网或卫星广播整个地理区域（例如一个国家或整个大陆）的 GNSS 代码和载波相位校正数据。

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，同时显着降低拥有成本，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：接收器需要理想地位于轨道卫星的视线范围内才能确定位置。在室内和隧道中，服务会降级甚至不可用。而且，在最好的情况下，GNSS 接收器需要几秒钟才能从冷启动中首次明确确定其位置。由惯性传感器提供支持的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 GNSS 信号范围之外的高精度定位范围。与通过 GNSS 信号本身相比，辅助 GNSS （A-GNSS） 提供了一种更快的方式来检索 GNSS 轨道和时钟数据，从而加快了首次修复的时间。

5G 将如何为基于蜂窝的定位带来新的改进

5G New Radio 是 3GPP 第 15 版定义的下一代蜂窝技术，已经在酝酿之中。9一些地区的最终用户最早将在 2019 年上半年首先获得基于 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，苹果预计将跟进2020 年。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，目标是在年中提供全国覆盖。11在第二个参加比赛的国家韩国，电信公司联合宣布计划在 2019 年 3 月推出 5G。12在英国，沃达丰宣布计划在 2020 年开始推出这项技术。但是，高精度定位服务不会成为 3GPP 5G NR 规范的一部分，直到 2019 年底左右发布第 16 版，最早在 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。移动网络运营商正在寻求 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 eMBB、uRLLC 和 mMTC 三个关键使用场景来解决这些不同的需求，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，从而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，以扩大可用技术的范围13 ，包括更高频率的更大带宽、更多天线组合成复杂的天线阵列以及更密集的电信网络。目标是雄心勃勃的：以低于 15 毫秒的低延迟提供亚米级位置精度。

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，这些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，以确定它们相对于用作锚点的移动网络天线的位置。示例是增强的 Cell-ID 和基于 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，可以计算出比单独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。

另一类是目前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，可以允许设备确定它们相对于彼此的位置。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，特别是由于位于更高频率的更大带宽（除了低于 6 GHz 之外，高于 24 GHz 的毫米波）的可用性。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，因为传播的信号不同路径在不同的时间到达。

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。因为它们会产生更高的传播损耗，较短的波长比较长的波长具有更小的范围，这意味着移动网络运营商将需要部署更多的基站来维持覆盖范围。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，可以使用单个基站定位设备。

无处不在的高精度定位将需要混合方法

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位置，但它们在室内应用中存在局限性。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（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））最佳结合的混合解决方案最有希望实现这些目标。额外的冗余允许增加容错性并提高整体解决方案的完整性，提供定量的置信度测量以配合每个位置估计。

3GPP 认识到混合定位解决方案有望实现新应用，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。由此产生的解决方案源自 3GPP 研究项目，目标是在 2020 年第 1 季度第 16 版无线电规范中引入。

3GPP 面临的挑战

3GPP 为自己设定了雄心勃勃的目标，第 16 版计划于 2020 年上半年发布。在 5G 多样化的信号环境之上实施基于蜂窝的定位解决方案将是一项复杂的工作，同时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，特别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——无论是全球导航卫星系统、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。

u-blox 作为 GNSS、短距离无线和蜂窝技术的领先提供商，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，尤其令人兴奋。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。当我们为加快这些不同世界的融合以提供更好、更全面的解决方案做出贡献时，我们不禁期待结果。