5G移动通信网的定位技术发展趋势

时间：2024-05-04

李健翔

（大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

0 引言

（1）移动通信网络定位起源

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。

（2）5G 垂直领域对定位业务的需求分析

在4G 通信网中，利用LTE 移动通信系统提供的位置服务，主要的应用场景有如下三类：

场景一：紧急救援，如紧急救护、紧急呼叫场景下对用户的定位。

场景二：各种基于位置的信息服务，如车载GPS 的应用、交通信息、天气信息、导航信息和导游服务等。

场景三：基于位置触发的服务，如基于位置的管理信息和计费等；或者跟踪及资产管理服务，如车辆调度/跟踪/监控/防盗、物资跟踪和老人儿童监护服务等。

在5G 移动通信中，根据5G 应用及业务特点，预计有如下定位场景需求[1]：

场景一：基于位置的信息服务，比如基于位置的广告业务，共享单车、AR 的精确定位等。

场景二：工业和电子医疗领域位置服务，比如工业应用资产管理与追溯、遥感遥测终端、病人监管等。

场景三：紧急救援服务。

场景四：道路相关服务，如交通管制、道路收费管理等。

场景五：铁路、海洋等领域相关位置服务。

场景六：空中领域相关位置服务，比如无人机（UAV）精确定位或无人空间监视。

场景七：多种定位方式的位置服务。

通过5G 与4G 定位业务场景对比分析，可以看到，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。

1 移动通信网高精度定位技术

1.1 4G通信网络定位技术现状

现有4G 移动通信网相关的定位技术主要有：

（1）基于全球导航卫星系统（GNSS）的辅助式全球卫星导航系统A-GNSS。3GPP 协议框架下的A-GNSS包括了北美的全球导航系统GPS，中国的北斗全球导航系统，俄罗斯的GLONASS，欧盟的Galileo，以及印度、法国、日本等其他区域性系统。

（2）基于4G 移动通信网络的OTDOA 和E-CID 技术。

（3）基于Wi-Fi、蓝牙、传感器等独立于移动通信网的定位技术。

目前产业界应用最广泛的定位技术是A-GNSS 技术，通过移动网络播发卫星数据，能够帮助定位终端快速搜星，极大降低了定位时延，减少了终端功耗，提高了定位效率。

但是A-GNSS 的缺陷为在室内和密集城区中卫星信号弱，终端搜星困难。目前还没有一种单一的定位技术能够满足上述5G 定位场景的所有需求。因此，在5G 网络将定位技术研究重点放在了不能满足定位要求的场景上（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。

图1 5G定位需求场景

1.2 5G网络定位新特性

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）。

同时，新的网络架构也为高精度定位服务带来了低延迟、高可靠性和高通信服务的可用性。

这里对新的5G 定位技术的需求总结如下：

（1）希望新的5G 定位技术既能支持室内，又能支持室外场景定位需求。

（2）希望新的5G 定位技术利用好5G 网络的高带宽、大规模天线阵列和网络传输功能，以支持网络中大规模的终端定位需求。

（3）希望新的5G 定位技术应该既能支持基于5G NR 信号的无线网络定位技术，又能支持非NR 信号的定位，例如GNSS、蓝牙、Wi-Fi、TBS、传感器等。并且这些基于NR 信号和非基于NR 的定位技术还可以混合使用，以进一步适应定位场景和定位精度需求。

2 5G定位网络架构

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2），将在R16 版本中实现。

图2 5G定位网络架构

图2 中，TP 为定位信号发射点；TRP 为定位信号发射接收点。

5G 移动通信网络的定位技术包含了如下三大类技术：

第一类，基于5G 无线接入网络的定位技术，包括：

（1）下行到达时间观测差定位法（DL-TDOA,Downlink Time Difference of Arrival）；

（2）多小区往返时间定位法（Multi-RTT,Multiplecell-Round Trip Time）；

（3）上行到达时间观测差定位法（UL-TDOA,UplinkTime Difference of Arrival）；

（4）下行角度定位法（DL-AoD）；

（5）上行到达角度定位法（UL-AoA,Uplink Angle of Arrival）；

（6）增强小区标识定位法（E-CID,Enhanced Cell ID）。

可以看到，相对于4G 无线通信系统的OTDOA 和E-CID定位技术，基于移动通信网络定位技术在5G 时代大幅增强了。

第二类，独立于无线接入网的定位技术，包括：

（1）辅助全球导航卫星系统定位（A-GNSS,Network-Assisted GNSS Methods）；

（2）基于蓝牙（Bluetooth）的定位；

（3）基于Wi-Fi 的定位；

（4）基于传感器的定位：惯性测量单元（IMU,Inertial Measurement Unit）等。

在R16 版本中，大唐移动将我国自主研发的北斗新一代全球导航系统——北斗三号，引入了5G 系统，实现了移动通信领域支持北斗全球导航系统，为我国自主全球导航的产业应用铺垫了基石。

第三类，基于无线接入网和独立于无线接入网的定位技术的混合定位。

3 基于5G信号的高精度定位技术方案

3.1 下行到达时间观测差定位法DL-TDOA

DL-TDOA 与4G OTDOA 原理类似，终端测量两个站点下行参考信号到终端的时间差（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。

5G 的大规模天线技术可以实现更高精度的测距以及更多的方向信息，进一步优化定位算法。

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方程组得到。图3 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，UE 位置可由解算这2 个双曲线的交点得到。

图3 NR DL-TDOA定位方法

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。

3.2 多小区往返时间定位法Multi-cell RTT

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（图4）。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。

图4 Multi-RTT定位方法

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）。如图5 所示，UE 与某TRP 之间的信号往返行程时间（RTT），可由UE 由该TRP 的DL PRS 所测量的UE Rx-Tx 时间差加上该TRP 由该UE 的SRS-Pos 所测量的 gNB Rx-Tx 时间差得到，而UE 与该TRP 的距离可由1/2 RTT 乘以光速得到。

图5 信号往返行程时间（RTT）示意图

3.3 上行到达时间观测差定位法UL-TDOA

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（图6），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。

图6 UL-TDOA定位方法

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。

3.4 下行角度定位法DL-AOD

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。

3.5 上行到达角度定位法UL-AOA

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（图7），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）。

图7 NR UL-AOA定位示意图

3.6 增强小区标识定位法E-CID

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。

在5G 网络下，利用大规模多天线技术，根据测量终端发送信号及方向（图8），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。

图8 E-CID定位方法

4 基于5G信号的高精度定位技术性能评估

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。