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【2022 · 第1期】5G移动通信网的定位技术发展趋势

发布时间:2022-06-01 11:52:31 来源:澳客彩票足球 作者:最新澳客足球彩票  浏览: 14

  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。

  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。

  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。

  (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。

  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)。

  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。

  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

  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),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。

  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

  。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)。

  UL-TDOA与DL-TDOA原理类似,但它是基于上行定位参考信号的定位技术。由基站测量终端发射的信号到达不同基站的传输时间差,网络根据上行参考信号,多个基站测量终端到达时间差

  ,然后把测量值上报给定位服务器,利用双曲线算法计算出UE的位置。在NR UL-TDOA定位方法中,服务基站首先要给UE配置发送上行链路定位参考信号(SRS-Pos)的时间和频率资源,并将SRS-Pos的配置信息通知给定位服务器。定位服务器(LMF)将SRS-Pos的配置信息发给UE周围的TRP。各TRP根据SRS-Pos的配置信息去检测UE发送的SRS-Pos并获取SRS-Pos到达时间与TRP本身参考时间的相对时间差(UL RTOA)。UL-TDOA一般采用基于网络的定位方式,即各TRP将所测量的UL RTOA传送给LMF,由LMF利用各TRP提供的UL RTOA以及其他已知信息(例如TRP的地理坐标)来计算UE的位置。

  终端测量上报下行参考信号到达终端的接收功率,网络根据发送波束方向来估计终端的位置角度。5G采用的大规模天线技术,具有更高的自由度,可以实现更高精度的测距和测角特性。在NR DL-AOD定位方法中,UE根据定位服务器(LMF)提供的周围TRP发送下行定位参考信号DL PRS的配置信息,来测量各TRP的DL PRS信号,并将DL PRS RSRP测量值上报给LMF。LMF利用UE上报的DL PRS RSRP以及其他已知信息(例如各TRP的各个DL PRS的发送波束方向)来确定UE相对各TRP的角度,即DL-AOD,然后利用所得的DL-AOD以及各TRP的地理坐标来计算UE的位置。

  网络根据上行参考信号,多个基站测量终端发射的参考信号到达基站的方向。每个方向就是一条终端指向基站的直线,通过多个基站测量就可以得到多条直线,这些直线的交点即为待定位终端的估计位置,解方程组,获得终端位置。5G采用的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。

  Rel-16 NR标准既没定义TRP如何由UE SRS-Pos获取UL AOA,也没有定义LMF如何由UL AOA来确定UE的位置。估计UL AOA的算法有多种,简单的方法是直接用接收波束的方向来作为UL AOA。这种简单方法的角度估计分辨率较低。分辨率较高的方法是通过接收天线阵列接收UL SRS-Pos信号

  ,利用信号和噪声子空间之间的正交性,通过有效的算法(例如MUSIC、ESPRIT等)将观察空间分解成两个子空间:信号子空间和噪声子空间,并由信号子空间估计SRS信号的到达方向UL AOA。一旦获得UL AOA,就可利用已有的算法来计算出UE的位置(图7)。

  Cell-ID是过去3G移动网络中最简单的一种定位技术,定位算法利用手机所处蜂窝小区和小区覆盖半径来进行粗略估算,后来LTE结合了时间提前量和方位到达角进一步提升定位精度。

  ,联合终端所在小区ID信息,计算目标的位置。常用的方法是由UE所上报的RRM测量值(参考信号接收功率或参考信号接收质量),结合假设的信道路径损耗模型推导出UE与发送参考信号的TRP之间的距离,然后由TRP的地理坐标、UE与TRP的距离以及TRP参考信号发送方向计算出UE的位置。由于假设的信道路径损耗模型与真实信道路径损耗的差异,以及RRM测量值的测量误差,所推导的UE和TRP之间的距离与UE和TRP之间的真实距离误差一般较大,因而E-CID定位的精度相对于NR的其他定位方法较低。

  3GPP组织通过对基于5G无线信号的定位技术的初步评估,主要考虑政策监管需求和商业应用需求。以覆盖80%的用户为基准定义了最低性能目标 [3] :针对政策监管的常规定位需求,水平方向的定位误差小于50 m,垂直方向的定位误差小于5 m,定位时延小于30 s;针对商业应用定位需求,水平方向的定位误差室内小于3 m,室外小于10 m,垂直方向的定位误差小于3 m,定位时延小于1 s。

  3GPP给出了基于蜂窝网络的5G候选定位技术方案的精度性能的评估结果 [3] :

  (1)面向室内覆盖场景,上述六种定位技术能够满足政策监管需求(美国911紧急呼叫)和商业应用需求。

  (2)面向密集城区微蜂窝覆盖场景,上行AoA定位技术无法支持商业应用需求。

  (3)面向宏站覆盖场景,下行技术能够满足5G的政策监管需求和商业应用需求,但是上行技术无法满足政策监管需求和商业需求,Multi RTT无法满足室外终端的商业应用需求。

  (4)上行和下行的定位技术方案的精度最高到米级,无法达到分米级甚至厘米级的定位精度。

  从目前高精度定位网络架构来看,5G移动定位的部署趋势将是通信定位一体化、本地化:

  (1)一体化:基于现有的蜂窝网络,建设一个基于移动通信网的高精度天地一体化定位网络。定位发射单元测量单元与通信设备一体化,利用传统的室内分布系统,建设基于移动通信信号的定位发射单元和测量接收单元,低成本地建设地面高精度覆盖网络,实现高精度室内定位覆盖诉求。

  (2)本地化:将传统的基于核心网的定位服务功能单元进行本地化处理。定位服务器功能下沉到无线接入网单元,本地完成位置估算存储功能,提升定位服务功能在移动通信网中的快速部署、升级、响应能力。

  随着移动定位业务从4G走向5G,从消费者领域走向垂直领域,工业物联网场景和车联网场景的高精度定位诉求将是后续高精度定位发展场景。以下是目前3GPP计划重点研究的高精度定位场景需求:

  (1)工业物联网的场景下(特别是工厂/园区内),由于工业化操作和移动资产的管理,对定位精度需求定位精度要求将会在20 cm之内,甚至更低。

  (2)在车联网场景下,对车辆间相对位置定位的精度要求将会在0.5 m之内,车辆前后位置定位精度将会在0.1 m之内。

  (3)总体定位时延将控制在100 ms之内,在IIOT中一些实时性更强的场景下,定位时延希望在10 ms之内。

  二维码,到知网阅读下载本篇论文★原文发表于《 移动通信》2022年第1期★

  【2022年 · 第1期】“5G核心网”专题论文集合(11篇)【通感一体化 5月专题征稿】4月5日截稿

  《移动通信》杂志由中国电子科技集团公司主管,中国电子科技集团公司第七研究所主办,是中国科技核心期刊、中国期刊方阵“双效期刊”、工业和信息化部精品电子期刊、广东省优秀期刊、中国科技论文统计源刊。

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