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5G的高精度定位

2020/03/31
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無線電定位基于 4 種物理方式,包括信號擴展,基于時間,基于角度,基于頻率。主要資源包括帶寬,天線元素,頻率精度和信噪比。

Wifi 的 RSSI 定位方法在復(fù)雜的多徑環(huán)境下,測距定位性能急劇下降,誤差可達十幾米;FTM 測距精度與帶寬相關(guān),但是沒有利用多天線,其抗多徑能力仍然受限。受制于較低的瞬時帶寬以及 2.4G 頻段信號擁擠造成的干擾,藍牙測向定位精度有限。UWB 帶寬大于 500MHz,抗多徑和抗干擾能力強,功耗低,利用超窄脈沖可實現(xiàn)厘米級的精確室內(nèi)定位。UWB 標簽雖然已經(jīng)可以做到小型化,但目前沒有集成到智能手機,所以待定位目標需要單獨配備 UWB 標簽。UWB 技術(shù)通常用于特定行業(yè),其基站在人流密集的城市和室內(nèi)環(huán)境下覆蓋率很低。

自 2016 年起,3GPP 在 R13、R14 版本持續(xù)開展針對 3G 和 4G 室內(nèi)定位技術(shù)增強的研究,增強了 RAT(RadioTechnology,無線電技術(shù))定位方法,完善了非 RAT 的室內(nèi)定位方法等。在 R14 標準版本的定位增強技術(shù)包括以下幾方面:?

(1)共享 PCI(Physical Cell Identifier,物理小區(qū)標識)場景下的 OTDOA(Observed Time Differenceof Arrival,觀察到達時間差)增強。R14 中,終端能夠區(qū)分共享 PCI 場景下的不同傳輸節(jié)點,增加了終端側(cè)可進行定位測量節(jié)點的個數(shù),從而提高了定位精確度。

(2)基于定位參考信號的信標 R14 引入了只傳輸定位參考信號的傳輸節(jié)點,該特性使得終端能夠識別額外的定位參考信號,從而提高了定位精確度。

(3)定位參考信號結(jié)合 CRS(Cell ReferenceSignal,小區(qū)參考信號)進行測量終端能夠結(jié)合定位參考信號和小區(qū)參考信號,獲得 RSTD(Reference Signal Time Difference,參考信號時間差測量),從而改善 OTDOA 精確度。

(4)多徑下的 TOA(Time of Arrival,到達時間)R14 中,終端可以將多條路徑下的 TOA 上報給網(wǎng)絡(luò)側(cè),網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以利用該信息,補償由于多徑衰落導(dǎo)致的測量誤差,從而提高了定位精確度。?2019 年 6 月,3GPP 的 Rel.15 版 TR38.885 對于定位的描述為:一般用戶,80%的情況下水平定位精度不低于 50 米,垂直精度 5 米,端到端延遲低于 30 秒,對商業(yè)用戶為水平定位精度,室內(nèi)不低于 3 米,室外不低于 10 米,垂直精度不低于 3 米。端到端延遲低于 1 秒。Rel.16 版計劃做到商業(yè)用戶室外最低 3 米的定位精度,端到端延遲低于 1 秒。本來預(yù)計到今年 3 月底發(fā)布,但疫情打亂了日程,估計到 9 月底才能完成 R16 版。17 版計劃做到亞米級定位,端到端延遲低于 100 毫秒,預(yù)計 2021 年底發(fā)布。R16 版也支持日本的 QZSS 的 SSR 信息,可以接受,但是需要特別的解碼器。

PRS(positioningreference signal 位置參考信號)SRS(sounding reference signal 探測參考信號)LPP(LTE Positioning Protocol LTE 定位協(xié)議)

基于用戶(UE)的位置測量報告包括如下

?Downlink reference signal referencepower (下行參考信號電平值 DL RSRP) per beam/gNB
?Downlink reference signal timedifference (下行參考信號時間差 DLRSTD)
?UE RX-TX time difference 用戶接收發(fā)射時間差
基于 gNB- 的位置測量報告
??Uplink angle-of-arrival (上行到達角 UL-AoA)??Uplink reference-signal receive power (上行參考信號電平值 UL-RSRP)??UL relative time of arrival (上行鏈路相對到達時間 UL-RTOA)??gNB RX-TX time difference?5G 在定位方面,有 5 大優(yōu)勢,一是高載波頻率

二是高帶寬。

三是天線數(shù)量極多。

四是 D2D 直接通訊。

五是網(wǎng)絡(luò)密度很高。

這 5 大優(yōu)勢最終變?yōu)?UL-RTOA 和 UL-AoA。TDOA(TimeDifference of Arrival,信號到達時間差)和 AOA(Angle of Arrival,到達角度測距)是兩種基礎(chǔ)的無線定位技術(shù)。

從理論上分析,一方面,5G 采用高頻或者毫米波通信,毫米波通信具有非常好的方向性,可以實現(xiàn)更高精度的測距和測角;另外一方面,5G 采用大規(guī)模天線技術(shù),具有更高分辨率的波束,也可以實現(xiàn)更高精度的測距和測角特性。因此,基于 AOA 的定位方法將比 4G 具有更高的精度。此外,由于 5G 采用了低時延、高精度同步等技術(shù),對提升 TDOA 定位精度也有幫助。TDOA 的誤差來源主要是時鐘誤差,降低時鐘誤差可以采用高精度晶振,但這個提升有限,要大幅度提高成本較高。AOA 的的誤差是基站與終端距離的線性函數(shù),這個容易后期補償,成本較低。因此 AOA 是主要方向。

5G 最擅長的是室內(nèi)定位 ,因為 5G 的穿透力比較差,大范圍定位不是 5G 的強項。自主代客泊車的地下停車場定位是最具備優(yōu)勢的,和完全依靠概率算法的攝像頭方案比,通訊的物理定位準確度、穩(wěn)定性和魯棒性強之百倍。地下停車場照度低,光線變化劇烈,非常不適合基于攝像頭的方案。還有基于物流倉庫的室內(nèi)定位,水平與垂直都要求精度是 5-10 厘米,遠不是攝像頭能做到的,UWB 方案則成本較高,也有頻譜問題。

通信網(wǎng)和定位網(wǎng)可以合二為一,提高網(wǎng)絡(luò)利用率,分攤部分成本。低成本是其最大優(yōu)勢。定位網(wǎng)元可以和基站共站,支持常規(guī)的一體化的通信和定位覆蓋;定位設(shè)備也可以以獨立定位設(shè)備形態(tài)存在,支持獨立的定位增強覆蓋網(wǎng)絡(luò);可以支持異構(gòu)定位網(wǎng),包括帶內(nèi)定位網(wǎng)、共頻帶定位技術(shù)、TBS、Wi-Fi 等;各種定位網(wǎng)絡(luò)支持接入 5G 網(wǎng)絡(luò),在終端或者定位服務(wù)器中進行融合定位。因為目前標準基站之間接口無法支持高精度同步,應(yīng)此必須增加高精度同步網(wǎng)絡(luò)單元。

2019 年 10 月,華為、香港電訊(HKT)和全球移動供應(yīng)商協(xié)會(GSA)聯(lián)合發(fā)布《室內(nèi) 5G 場景化白皮書》,其中就提到高精度室內(nèi)定位,目前已經(jīng)能達到亞米級。2020 年 2 月 29 日,華為召開 5G 室內(nèi)覆蓋新產(chǎn)品與解決方案線上發(fā)布會,重磅推出 5G 室內(nèi)數(shù)字化家族系列全新產(chǎn)品和解決方案,包含升級版 5G LampSite、5G LightSite,和 5G 室內(nèi)覆蓋解決方案 LampSiteEE(Enterprise Edition)。華為面向行業(yè)場景發(fā)布的 LampSite EE 解決方案,包含有 5 大功能集:5G 室內(nèi)超寬帶、5G 室內(nèi)精準定位、5G 工業(yè)級超低時延、5G 室內(nèi)高可靠性、5G 工業(yè)級高密并發(fā)連接。

2020 年 3 月 19 日,高通則發(fā)表了自己的室內(nèi)定位視頻。? ? ?

室內(nèi)共有 5 個 TRP(發(fā)射與接收點),每個使用定向天線,4X4MIMO 陣列,400MHz 帶寬,中心頻率 6.225GHz。

水平定位精度基本保持在 10 厘米左右,垂直定位精度略低。

如果在高速公路這樣的開放空間,利用 V2X 網(wǎng)絡(luò)也可以做大范圍的高精度定位。而室內(nèi)的高精度定位顯然用 5G 是最合適的。

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