5G定位技術

從 2G 到 4G，蜂窩網(wǎng)絡的定位技術主要有：E-CID、AoA、ToA、TDOA 等。

E-CID

傳統(tǒng)基站分為三個扇區(qū)，一個扇區(qū)對應一個小區(qū)，每扇區(qū)通常 120 度，每個小區(qū)都有不同的識別碼（Cell ID）。

由于基站的經(jīng)緯度是已知的，根據(jù) Cell ID 就可以大致鎖定手機的位置。但一個小區(qū)的覆蓋范圍很大，通常幾百米到幾公里，僅基于 Cell ID 的定位誤差非常大，所有有了 E-CID 定位技術。

E-CID，Enhanced Cell-ID，指基于 Cell ID 的增強定位技術，包括 Cell ID+RTT、Cell+RTT+AoA 等。

Cell ID+RTT

在 Cell ID 的基礎上增加 RTT（Round Trip Time）測量，即通過 TA（Time Advance，時間提前量）得出信號從手機到達基站，或從基站到達手機的時間，再乘以光速（無線信號傳播速度）來估算手機與基站之間的距離。

在 Cell ID+RTT 的定位方式下，可對附近的三個基站進行距離估算來提升定位精準度。

Cell ID+RTT+AoA

AoA，Angle-of-Arrival，到達角，就是利用手機信號傳送至基站的入射角度來進一步確定手機在該區(qū)域的位置。

在 Cell ID 的基礎上，增加 RTT 和 AoA 輔助可大幅提升定位精準度。

E-CID，就是在 Cell ID 的基礎上增加 TA、AoA、RSRP、RSRQ 等輔助信息來提升定位精準度的定位方法。

TOA

TOA，Time of Arrival（到達時間）。

指通過測量多個基站發(fā)送的參考信號到達手機的時間，來計算不同基站與手機之間的距離，并以該距離為半徑分別畫一個同心圓，再通過定位算法（三邊定位算法、最小二乘算法），來估算手機位置。

TDOA

TDOA，Time Difference of Arrival（到達時間差）。

TOA 定位法的缺點在于，若基站與手機之間時間不同步，雙方都不知道信號發(fā)送的絕對時間，會造成計算和定位誤差。

而 TDOA 利用相對時間（時間差）來彌補了這一缺點，即通過測量手機與附近兩個基站的信號到達時間差，來計算手機到基站的距離差。

從數(shù)學的觀點看，手機的位置必定位于以這兩個基站為焦點、以其距離差為定差的雙曲線上。這樣一來，周圍三個或三個以上的基站就能兩兩形成兩條或兩條以上的雙曲線，雙曲線的交點就是手機的二維位置坐標。

上表中的 OTDOA、UTDOA 和 E-OTD 屬于 TDOA 定位法。

A-GNSS

A-GNSS，Assisted GNSS，即網(wǎng)絡輔助的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

A-GNSS 需要網(wǎng)絡和手機都能接收 GNSS 信息。在 A-GNSS 中，網(wǎng)絡可以根據(jù)終端當前所在的區(qū)域，確定所在區(qū)域上空的 GNSS 衛(wèi)星，將這些信息提供給終端，從而終端可以根據(jù)這些信息縮小衛(wèi)星搜索范圍、縮短搜索時間，更快的完成可用衛(wèi)星的搜索過程。終端快速獲得自身的位置后再將位置信息發(fā)送到網(wǎng)絡的定位服務中心可計算出更精準的位置。

A-GNSS 可滿足快速移動定位需求，但無法滿足室內(nèi)定位需求。

5G 時代的定位需求

5G 將使能各行各業(yè)的多樣化應用，車聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、智能制造、智慧物流、無人機、資產(chǎn)追蹤等大量應用場景對定位能力要求更高，比如車聯(lián)網(wǎng)中的車輛結隊、主動避撞要求定位精度高達 30 厘米，且要求支持高速移動和超低時延的定位能力；遠程操控無人機要求 10-50 厘米。同時，如資產(chǎn)追蹤、無人 AGV、AR/VR 等大量應用集中在室內(nèi)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)無法覆蓋。因此，5G 必須增強網(wǎng)絡定位技術來提升定位精準度。

根據(jù) 3GPP R16 定義，5G 定位能力必須滿足以下最低要求：

? 對于 80％的終端，水平定位精度優(yōu)于 50 米，垂直定位精度優(yōu)于 5 米。

? 端到端時延低于 30 秒。

對于要求嚴苛的商業(yè)用例，5G 定位能力至少需滿足以下要求：

? 對于 80％的終端，水平定位精度優(yōu)于 3 米（室內(nèi)）和 10 米（室外）。

? 對于 80％的終端，垂直定位精度優(yōu)于 3 米（室內(nèi)和室外）。

? 端到端時延小于 1 秒。

5G 定位技術

DL-TDOA：5G R16 版本引入了新參考信號 ----PRS（定位參考信號），用來供 UE 對每個基站的 PRS 執(zhí)行下行鏈路參考信號時間差（DL RSTD）測量。這些測量結果將上報給位置服務器。

UL-TDOA：5G R16 版本增強了 SRS（信道探測參考信號），以允許每個基站測量上行鏈路相對到達時間（UL-RTOA），并將測量結果報告給位置服務器。

DL-AoD（下行離開角）：UE 測量每波束 /gNB 的下行鏈路參考信號接收功率（DL RSRP），然后將測量報告發(fā)送到位置服務器，位置服務器根據(jù)每個波束的 DL RSRP 來確定 AoD，再根據(jù) AoD 估計 UE 位置。

UL-AOA（上行到達角）：gNB 根據(jù) UE 所在的波束測量到達角，并將測量報告發(fā)送到位置服務器。

Multi-cell RTT：gNB 和 UE 對每個小區(qū)的信號執(zhí)行 Rx-Tx 時差測量。來自 UE 和 gNB 的測量報告會上報到位置服務器，以確定每個小區(qū)的往返時間并得出 UE 位置。

E-CID：UE 對每個 gNB 的 RRM 測量（例如 DL RSRP），測量報告將發(fā)送到位置服務器。

所有與定位相關的測量報告都要上報到位置服務器，這些測量報告包括：

UE 上報的定位測量報告：

? 每波束 / gNB 的 DL RSRP

? 下行參考信號時間差（DL RSTD）

? UE RX-TX 時間差

gNB 上報的定位測量報告：

? 上行到達角（UL-AoA）

? UL-RSRP

? UL-RTOA（UL 相對到達時間）

? gNB RX-TX 時間差

簡而言之，基于以前的蜂窩網(wǎng)絡定位技術，5G R16 引入了新的定位參考信號（PRS），采用了 DL-TDOA、UL-TDOA、DL-AoD、UL-AOA、E-CID 多種定位技術來合力提升定位精度。

同時，由于 5G 時代超密集網(wǎng)絡增加了參考點的數(shù)量和多樣性，Massive MIMO 多波束可讓 AoA 估計更精確，以及更低的網(wǎng)絡時延可提升基于時間測量的精度等，這些優(yōu)勢可進一步提升 5G 定位能力。

未來，5G 定位能力將進一步增強，R17 版本還會將 5G 定位精度提升到亞米級。

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