5G网络将如何改善位置感知?

3GPP版16持有承诺使高精度位置服务更便宜，更可靠。利用新的信号性质与各种非蜂窝技术组合可以实现混合定位的形式。

你相信你的GPS吗？你会准备盲目追随它吗？虽然我们很少考虑一下，但我们智能手机或我们的汽车中的全球导航卫星系统（GNSS）接收器的位置是统计数量。它告诉你，通过给定的概率 - 例如50％ - 你在一个明确的距离内 - 例如从指示的位置1米。最终，您如何与所提供的信息相关取决于您愿意在输出中放置多少信心。

全球导航卫星系统(GNSS)

GNSS长期以来一直是用户设备精确位置估计的唯一来源。但是，随着应用变得越来越广泛、多样化和安全至关重要，理解如何量化读数的可靠性，以及在无法使用GNSS时有替代的输入来源，对他们的成功变得至关重要。

当然，GNSS不是唯一可用的位置信息来源。具有蜂窝调制解调器的特征的设备可以使用蜂窝信号确定它们的近似位置。市场上的关键参与者，如U-Blox，在其蜂窝通信模块中长期以来在其蜂窝通信模块中提供了基于蜂窝信号和混合定位解决方案，后者组合GNSS和蜂窝信号，扩大了位置服务的覆盖范围。

现在，由行业驱动的3GPP（第三代合作伙伴计划）开发和标准化5G定位，经常被忽视的5G技术构建组件。这种致力于开发电信标准和数百名企业成员的七个组织正在推动5G定位作为下一代蜂窝通信技术的组成部分，以各种行业垂直的需求为中心。

简要回顾

定位在启动蜂窝通信时发挥了重要作用。最初，它只是一个侧面产品：要将来电拨打到收件人的终端设备，移动网络运营商需要知道在任何给定时间都连接到哪个特定的蜂窝基站最终用户。

这是在1999年改变的，当时美国监管机构提出了高精度位置估算的要求，以实现紧急服务，这导致了基于蜂窝技术的第一代专用位置服务。¹欧盟在2002年跟随美国榜样。²从那时起，位置服务的各个连续产生的蜂窝技术都扩展，主要是由行业需求和3GPP标准化的推动。

因此，今天的4G LTE网络提供了移动网络运营商广泛的方法，以确定每个用户的位置，不同程度的准确性。这些方法利用固定和移动网络基础设施的不同组合，以及外部来源，例如定位卫星。

下表概述了主4G LTE位置服务。^3.

表1.主要的4G LTE位置服务

新用例和需求

虽然基于位置的服务的主要驱动因素来自监管机构，但今天，几家公共和私营公司包括硬件和设备制造商，空间机构和移动网络运营商正在推动通过蜂窝定位服务提供更高的准确性和精确性启用新一代商业促进的基于位置的服务。

这些应用可分为UE- assisted和UE-based两种，前者通过网络和外部应用获取位置来跟踪目标的位置，后者通过UE计算自身的位置来进行导航和引导。^4.

与此同时，事物互联网（IOT）渗透到我们经济和社会生命的各个方面正在增加对定位技术的覆盖率和可靠性的预期。虽然如今，我们希望能够在远处访问高速互联网，高精度定位可能变得如此。

因此，3GPP和其他标准化机构正在进行新的应用空间和在即将发布中的蜂窝定位的性能要求。使用案件可以从改进的高精度定位服务中受益，包括广泛，包括行业，资产跟踪，汽车，交通管理，智能城市，共用自行车，医院，无人机，公共服务，增强现实（AR）和消费者和消费者专业的可穿戴设备。

总体而言，5G技术旨在提供各种蜂窝和混合定位服务，这取决于每个特定用例的需求。应衡量可以放置在阅读的信心的尺寸令人遗憾的位置。尚未完全定义和商定的关键要求是水平和垂直准确性，相对精度（附近设备之间），初始修复，速度精度，功耗，延迟以及操作和安全相关的属性。^5克ydF4y2Ba

在下文中，我们将介绍三种用例中的三种用例所需的要求：（i）UAV任务和运营，（ii）IIot跟踪应用，（iii）自动车辆导航。对于前两种用例引用的值是从3GPP TR 22.872技术报告中汲取的。^6.从其他参考文献中汲取包括广泛的特定应用的汽车用例。^7,8

图1。在三个选定垂直方面出现的5G定位用例的要求。

新一代GNSS接收器是如何改变定位

在过去几年中，基于卫星的定位已经迅速发展。在卫星导航的早期，GNSS接收器必须依靠单一的轨道卫星，无论是美国GPS还是俄罗斯GLONASS系统，以确定其位置。现在有更多的运营系统，欧洲伽利略和中国北斗系统以及若干区域增强系统添加到原来的两个。如今，可以同时接收来自所有轨道GNSS星座的信号的多星形GNSS接收器，例如U-Blox F9的接收器，正在成为常态。结果，即使在城市（或实际）峡谷的大部分障碍时，接收器也能够“看到”更大量的卫星，例如城市（或实际）峡谷，提高准确性和减少时间来实现位置修复。

最初，GNSS接收器使用在单一频带上传输的卫星信号来估计它们的位置。卫星信号在穿越带电电离层时变慢是造成位置误差的主要原因之一。因为这个延迟与频率平方的反比成正比，使用来自额外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接收器使用标准编码定位，将露天条件下的平均位置误差从大约2.5米降至不足一米。

GNSS定位的质量长期受益于商业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视输入的GNSS信号，并将定制的校正信息发送到最终用户进行费用。对于基于代码的定位，这些定位被称为差分校正。

当使用高精度载波相位跟踪RTK（实时运动）方法时，从附近参考接收器获得的校正允许实现厘米级定位。如今，新一代GNSS校正服务是制造，这采用替代方法，为整个地理区域广播GNSS代码和载波相位校正数据，例如，通过互联网或卫星的国家或整个大陆。

多星座和多频带接收器的组合具有新的GNSS校正方案，以实现厘米级精度，所有这些都以显着降低的所有权成本，为厘米高精度定位的新型大众市场应用铺平了道路。

也就是说，GNSS继续遭受两个缺点：接收器需要理想地在轨道卫星的视线中以确定位置。在室内和隧道中，服务劣化甚至无法使用。并且，在最佳情况下，需要几秒钟的GNSS接收器才能从冷启动中毫不含糊地确定其位置。由惯性传感器提供动力，死亡的解决方案主要针对汽车应用程序定制，显着扩展了高精度定位超出了GNSS信号的范围。辅助GNSS（A-GNSS）通过提供比通过GNSS信号自身的GNSS轨道和时钟数据来获取更快的方法来加速速度。

5G将如何为蜂窝定位带来新的改进

5G新型收音机，从15张从第15段定义的下一代蜂窝技术已经在制作中。^9.某些地区的最终用户首先可以访问在2019年H1的4G LTE上建立的非独立架构，其中三星和Verizon，LG和Sprint，以及华为在2019年初发布5G智能手机，并预计将继续遵循5G智能手机2020。^10.这将是独立5G的部署。

几个移动网络运营商已经公开宣布了5G网络的部署，从城市中心开始。美国正在领导包装。AT＆T于2018年开始推出，并将继续到2019年，其目标是在年中提供全国范围内的覆盖范围。^11.韩国是第二个加入5G竞争的国家，韩国的电信公司共同宣布将于2019年3月推出5G。^12.在英国，沃达丰宣布计划于2020年开始推出该技术。然而，高精度定位服务将成为3GPP 5G NR规范的一部分，直到2019年底发布16次，在2020年代最早的部署之后。

5克后面的驱动力是多种多样的。在蜂窝网络性能的可靠性，可用性，覆盖范围和延迟方面，新的应用程序将提升到表格的需求。移动网络运营商正在寻找5G，以建立来自行业垂直的新收入流。芯片组供应商在5G中看到了通过许可知识产权提高收入的机会。用户将获得他们要求的更高的数据速率。

5G蜂窝通信技术通过三个关键用法场景解决了这些不同的要求：embb，urllc和mmtc，我们简要描述了下面的。

• eMBB(增强型移动宽带)将蜂窝通信专用频谱扩展到更高频率，以更快的速度传输数据。
• URLLC（超可靠的低延迟通信）驱动新的机会，如自主车辆和车辆到一切（V2X）应用。
• MMTC（大量机床类型通信）将继续在低功耗广域（LPWA）通信中发展IOT应用的发展。

在这些方案中启用定位需要新的信号和新的基础架构，可以利用来扩展可用的技术范围，^13.在较高频率下包括较大的带宽，更多的天线组合成复杂的天线阵列和更密集的电信网络。目标是雄心勃勃的：子仪表位置精度，低延迟低于15毫秒。

5G提供更大的带宽和频率

3GPP目前正在专注于将一系列4G LTE定位方法带入5G。通常，这些使用上行链路和下行链路信号来确定各个端设备的位置，以确定其相对于移动网络天线的位置，其用作锚点。实施例是增强的细胞ID和基于TDOA的方法。

在增强的单元ID中，终端设备监视其对多个基站的接近，测量信号强度和对设备的近似传播时间。通过组合这些观察结果，可以根据简单地测量最近的细胞中心来计算对设备位置的更好估计。

在基于tdoa的方法中，终端设备准确地测量来自多个基站的信号到达时间。使用基于观测接收时间之间的时间差的乘法，设备可以比使用增强的Cell-ID更准确地确定其与观测基站的位置。

另一个类是尚未利用的Sidelink，一种涉及设备到设备通信的4G LTE技术，其可以允许设备相对于彼此确定其位置。明显的用例是车辆到车辆（V2V）通信。

5G的新频谱分配是基于蜂窝的定位的好消息，特别是由于在较高频率（除SUB 6 GHz之外的MMWAVE上方MMWAVE上方的MMWAVE）的较大带宽的可用性的情况下。较大的带宽意味着信号时间可以更准确地解决（时间和带宽之间存在反向关系），因此较大的带宽可以提高解决多径效应的能力，这是杂乱的城市和室内环境中的误差的主要来源，因为旅行不同的信号路径到达不同的时间。

5G的迁移到新频率也影响了蜂窝基站的地理部署和所用的天线技术，再次受益于基于蜂窝的定位。因为它们产生更高的传播损失，因此较短的波长范围比较长，这意味着MNO需要部署更多的基站以维持覆盖范围。此外，具有波束成形功能的天线阵列将有助于将信号指向最终用户。通过测量延迟，到达角度（AOA）和脱离角度（AOD），提高定位性能，更高密度的定向意识的天线将改善多径分量的分辨率，提高定位性能。另外，可以使用单个基站本地化设备。

普遍存在的高精度定位需要混合方法

没有一种方法能够可靠地提供目标用例在所有环境条件下所需的准确性。正如我们所看到的，虽然今天的基于gnss的解决方案能够可靠地提供高精度的位置，但它们对于室内应用有局限性。另一方面，基于5g的定位解决方案可以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最佳结合的混合解决方案，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)，最有希望实现这些目标。额外的冗余增加了容错能力，提高了整体解决方案的完整性，并提供了与每个位置估计一致的定量信心度量。

3GPP的研究范围包括GNSS和卫星信号，以及Wi-Fi和蓝牙等地面信号等。由3GPP研究项目产生的解决方案，目标是在发布16 - 2020年第一季度的无线电规范中引入。

为3GPP挑战

The 3GPP has set itself ambitious goals, with Release 16 scheduled for H1, 2020. Implementing cellular-based positioning solutions on top of 5G’s diverse signal landscape will be a complex endeavor, as will encouraging timely deployment of infrastructure to enable sufficiently broad coverage to attract a large enough user base.

正如我们所看到的，混合定位方法对于满足新兴应用的严格需求是至关重要的，特别是随着到处都是高精度定位的预期，一直是常态。这将不可避免地要求来自不同技术的代表 - 成为GNSS，蜂窝，短程，卫星通信等 - 一起工作以产生比其组成部分的总和更好的结果。

U-Blox在业界的独特地位，作为GNSS，短距离无线和蜂窝技术的领先提供商，尤其是那些结合技术，特别是令人兴奋的地位。混合定位建立了我们核心竞争力的融合，我们看到了巨大的创新潜力，新的性能水平和新用例。由于我们有助于加快这些不同世界的融合，以提供更好更全面的解决方案，我们无法帮助，但期待结果。

本文是合作的大卫巴特利特，高级主工工程师，产品中心定位在U-Blox。

参考

• 1）FCC 911和E911服务
• 2）欧盟立法的摘要：经济实惠的电信服务 - 用户的权利
• 3）基于“蜂窝网络中定位技术的演变，从2G到4G，”Rafael Saraiva Campos，Hindwi，2017年
• 4) UE是User Equipment的简称
• 5、6)3GPP TR 22.872 V16.1.0(2018-09)，技术报告，第三代合作伙伴项目;技术规范组服务和系统方面;定位用例研究;第1阶段(第16版)
• 7）合作社（Hights）的高精度定位，项目可交付D2.1：用例和应用要求（2015年5月1日）
• 8）关于道路用户需求和要求的报告，欧洲GNSS用户咨询平台的结果，欧洲全球航行卫星系统（GSA）（2018年10月18日）
• 9) 5G第一阶段系统架构里程碑3GPP(2017年12月21日)
• 10）前5G手机：每5克手机宣布，仍然在2019年来
• 11）AT&T列举了99个新的5G发展市场
• 12）运营商承诺“韩国5G日”
• 13)《5G无线系统和物联网的新定位方法》白皮书，COST Action CA15104, IRACON;彼得我;百合花纹的,伯纳德•亨利

行业文章是一种内容的形式，允许行业合作伙伴分享有用的新闻，消息和技术，所有关于电路读者的行为编辑内容并不适合。yaboPP电子所有行业文章都受到严格的编辑准则，目的是提供读者有用的新闻，技术专业知识或故事。在行业文章中表达的观点和意见是合作伙伴的观点，不一定是关于电路或其作家的所有人。yaboPP电子