5G如何實現高精度定位?

2020-12-02 10:39:43 深圳市瑞普高電子有限公司 172

2020年10月,中國移動、中興通訊等聯合發布了《5G室內融合定位白皮書》,5G定位產業已經得到了業界的普遍關注。 眾所周知,4G時代涌現出了滴滴打車,共享單車等基于用戶地理位置的新應用形態,手機地圖導航功能也是極大地方便了我們的交通出行。


瑞普高電子領先的一站式測試儀器技術服務商


隨著5G時代到來,物聯網和智能化對基于位置的服務提出了更高要求,“5G定位”作為一個新的方向將會對于解決室外到室內的“最后一公里”高精度定位問題發揮更強的賦能和帶動作用(據統計人類大約百分之八十的時間在室內活動)。


  • 機場(車站)、商場、醫院等人流密集場所,依賴室內高精度定位技術可以提供高效的引導服務和動態分析手段,提升運營效率。

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  • 工廠,依賴高精度無線定位進一步擺脫有線的束縛,實現智能倉儲、生產過程追蹤、自動貨物搬運與加工,達到降本增效目的。

  • 寫字樓和地下礦井等特殊場所,緊急狀態下,依賴高精度無線定位,指揮部門可以精準掌握遇險人員位置,并且實時動態掌控救援力量的分布狀況,靈活部署救援工作,達到高效救援目的。

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5G針對定位技術到底提出了怎么樣的要求呢?


TR 38.855 (NR定位的研究報告)描述了針對R16的要求:

 

對于監管使用,最低性能要求:

  • 區域內80%的UE的水平定位精度優于50米

  • 區域內80%的UE的垂直定位精度優于5米

  • 到端延遲少于30秒

 

對于商業應用,最低性能要求:

  • 區域內80%的UE水平定位精度優于3米(室內)和10米(室外)

  • 區域內80%的UE的垂直定位精度優于3米(室內和室外)

  • 端到端延遲少于1秒

 

TR 38.857 (NR定位增強的研究報告)中進一步描述了針對R17的要求(截至目前還沒有正式完稿),重點是為了支撐工業物聯網場景所需的亞米級(即厘米級)精度和延遲要求,高精度定位是與時間敏感網絡TSN、超可靠低時延通信并列的支持工業物聯網的關鍵技術。

 

高通(Qualcomm)稍早前展示過5G室內高精度定位的場景(<30cm):


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5G究竟是如何實現更高精度的定位的呢?

3GPP面向5G新的網絡架構,提出了下圖所示的5G定位架構圖:

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總體上來看,5G的定位從架構來看與4G相似,通俗來講就是通過對接收到的無線電波的特征參數進行測量,利用測量到的無線信號數據,采用特定的算法對移動終端所處的地理位置進行估算。

 

大家如果覺得比較抽象的話可以結合下面這張示意圖來進一步理解:


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R16引入了一些針對5G的定位方案:DL-TDOA、UL-TDOA、DL-AoD、UL-AOA、Multi-RTT、E-CID (具體參見TS 38.305)簡要說明如下:

 

? 下行到達時間差(DL-TDOA) 


其原理與4G OTDOA類似,終端測量兩個基站發送的下行定位參考信號PRS的到達時間差RSTD,上報位置服務器,位置服務器根據多個下行參考信號時間差,從而獲得終端位置估計。

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? 上行到達時間差(UL-TDOA)


原理與DL-TDOA類似,但這是基于上行信號的定位技術,基站測量上行相對到達時間差UL RTOA(利用增強的探測參考信號SRS),上報位置服務器,位置服務器判斷終端的位置。

 

? 下行離開角度(DL-AoD)


終端測量并上報下行參考信號波束的接收功率(即每個基站的波束的DL RSRP),根據發送波束方向來估計終端的位置角度,根據多個基站估計值,位置服務器解方程組,從而獲得終端位置。

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? 上行到達角度(UL-AoA)


原理與DL-AoD類似,但這是基于上行信號的定位技術,多個基站測量終端上行信號的到達角度,上報位置服務器,根據多個基站測量的到達角度,位置服務器解方程組,從而獲得終端位置。

 

? 多站往返時間 (Multi-RTT)


終端與至少三個基站互發參考信號,測量 Rx-Tx 時間差以得到 RTT,三個圓的交點即為終端位置,Rx-Tx信息匯總到位置服務器,從而獲得終端位置估計。

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? 增強小區ID (E-CID)


基站與終端互發參考信號測量 Rx-Tx 時間差以得到RTT,確定終端所在的圓,結合DL-AoD或UL-AoA 得到角度信息,它與圓的交點即為終端位置。這種定位方法的一個顯著的優點:僅靠單站即可完成定位,不受基站之間同步精度的影響。


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總的來說,5G相對于4G在定位技術方面具備一些天然的優勢,比如大帶寬(時間分辨率高)以及采用Massive MIMO大規模天線技術,具有更高分辨率的波束,可以實現更高精度的測距和測角,上述定位方法既可以單獨使用,也可以結合使用,以此來滿足室外和室內不同場景的精度需求。

 

機遇和挑戰

 

端到端的5G定位產品和服務的落地需要電信運營商,系統供應商和終端/模組/芯片供應商的通力協作,共建產業生態來提升產品和服務的成熟度,來滿足多樣化應用的需求,改善定位服務的體驗,發展新的定位服務業務模式。

 

當然了,我們同時也會面臨一些挑戰,比如:

 

? 5G定位需要綜合考慮建網成本,芯片、模組、終端以及后期維護的成本,建設初期的成本可能會高于傳統的室內定位技術(比如Bluetooth、Wi-Fi、UWB等),后續推廣可能需要充分利用5G產業鏈的規模成本和性能優勢。

 

? 5G定位在實際部署中存在諸多因素可能影響定位精度(比如帶寬、信噪比、站間的同步誤差等),可能還需要借助AI與創新的定位模型算法來進一步提升室內定位的精度和服務的體驗。


? 當前物聯網領域碎片化比較嚴重,能夠實現室內定位的技術眾多,不同技術各具優勢但同時也各有局限性,實際部署的時候需要考慮選擇不同的定位技術滿足業務層面對定位精度、時延、容量等方面的需求,最后可能是各種室內定位技術的相互融合。

 

2020年7月中國聯通的時空服務能力報告中也可以看出這一點。


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