基于OTDOA的5G定位性能綜合分析

張建國，徐 恩，周鵬云，韓春娜（.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.諾基亞通信系統(tǒng)技術（北京）有限公司浙江分公司，浙江杭州 30053）

0 引言

無線定位技術分為4類，分別是衛(wèi)星定位、蜂窩網定位、無線局域網定位以及其他定位技術，其他定位技術包括氣壓計定位、可見光定位、視覺定位、紅外定位等。目前應用最為廣泛的是全球定位導航系統(tǒng)（GNSS——Global Navigation Satellite System），其定位精度是10～30 m，通過GNSS 和蜂窩網相結合的輔助GNSS（A-GNSS——Assisted GNSS）定位，如RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分技術，定位精度最高可達厘米級。GNSS定位適合于開闊的室外場景，在城區(qū)峽谷和室內場景，GNSS 信號面臨著多徑和NLOS傳播、嚴重的衰減等問題，導致GNSS 定位精度急劇下降甚至無法使用，對于以上場景，適合使用蜂窩網定位技術［1-2］。

由于蜂窩網的覆蓋范圍較廣，不需要移動終端硬件上的升級，在室內也能完成定位，所以基于蜂窩網的定位技術是目前較常用的定位技術。蜂窩網定位的原理是利用現有的蜂窩網絡，通過測量信號的某些特征值來完成定位，根據定位技術所采用的測量值，可以將基于蜂窩網的定位技術分為基于增強小區(qū)ID（E-CID）定位、觀察到達時間差（OTDOA）定位、上行到達時間差（UTDOA）定位、到達角度（AOA）定位以及混合定位［1］。本文接下來主要分析基于下行定位參考信號（PRS）的OTDOA定位。

1 5G定位服務的性能需求

5G 定位服務的性能需求包括水平和垂直精度、速度精度、定位服務可用性、定位服務時延、首次定位時間等。其中，水平和垂直精度描述的是需要定位的UE的測量位置相對于它的實際位置的精度，是最重要的評估標準，通常使用概率門限作為評估標準，如表1所示，定位速度精度要求在99%服務區(qū)內，對于速度的定位優(yōu)于0.5 m/s，對于三維方向移動的定位優(yōu)于5°；定位服務時延指的是無線層的時延，不是端到端的時延；首次定位時間要求小于30 s，某些特殊用例要求小于10 s［3］。

表1 5G定位服務的性能需求

服務等級1是廣域定位，其需要的定位精度最低，主要用于物流管理、廢物管理和收集、緊急呼叫、醫(yī)院外的患者和急救設備定位、資產跟蹤和管理等領域，其中廢物管理和收集、資產跟蹤和管理要求UE 具有極低的功耗，假設每小時更新多次位置，1 800 mWh的電池可以使用12年以上。

服務等級2～4 是高精度定位，主要應用于人員跟蹤、機器控制和交通等領域。服務等級2 應用于共享單車、可穿戴設備、廣告推送、醫(yī)院內的人員和醫(yī)療設備定位；服務等級3 應用于交通流量監(jiān)控、管理和控制，車輛收費等領域；服務等級4應用于工廠內的無人搬運車定位。

服務等級5～6 是超高精度定位，主要應用于自動駕駛、工業(yè)控制等領域，服務等級5適合于進行數據分析，服務等級6適合于高服務可用性、低時延需求的遠程控制。

服務等級7是相對定位，適合于無人機集群定位，只有當2 個UE 或UE 和5G 定位節(jié)點的距離在10 m 以內時，相對位置的定位精度才有可能達到0.2 m 以下［4］。

需要說明的是，單獨依賴5G定位技術不能完全滿足表1 的性能需求，5G 定位技術應與其他定位技術結合起來使用，才有可能完全滿足表1的性能需求。

2 PRS的結構和配置原則

2.1 PRS的結構

OTDOA定位是基于UE測量服務小區(qū)和相鄰小區(qū)的參考信號到達UE 的時間差，也稱為參考信號時間差（RTSD——Reference Signal Time Difference），由于測量量是時間差而非絕對時間，不必滿足基站與UE之間必須時間同步的要求。為實現OTDOA 定位盡可能多地探測相鄰小區(qū)的信號，UE需要以較高的概率檢測到至少4個基站的信號［1］。

理論上，任何下行參考信號，如PSS、SSS、CSI-RS，都可以獲得RSTD 測量值因而支持OTDOA 定位，但是這些下行參考信號設計和實施的目的是用于數據通信，因此相鄰小區(qū)的信號通常較弱而不能被探測，這就導致UE 檢測不到足夠數量相鄰小區(qū)的下行參考信號，因此，為了提高UE 檢測到相鄰小區(qū)的概率，滿足OTDOA 所需RSTD 測量量的要求，3GPP Rel-16 定義了PRS以提高OTDOA的定位精度［5］。

圖1 1個時隙內的PRS結構

2.2 PRS參數的配置原則

根據式（1），可以計算出，對于不同的子載波間隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）和PRS 的定位范圍如表2 所示。其次的配置還需要考慮UE 的信道帶寬、小區(qū)密度等因素。越小，頻域上的PRS密度越大，即使較小的帶寬也能達到較高的定位精度，因此較小的適合于帶寬受限場景，如低帶寬的物聯(lián)網設備。越大，可復用的PRS信號數量越多，如時，在頻域上可以最多復用6 個PRS，圖1（b）給出了復用3 個PRS 信號的情形，因此較大的減少了PRS 沖突的概率，適合于高密度小區(qū)，UE 可以通過檢測更多的小區(qū)以提高定位精度；另外，較大的還可以通過功率提升來改善SNR，進而提高定位精度，如時，PRS 提升功率分別為6 dB、7.8 dB、10.8 dB［10］。過大的也存在占用的帶寬較大、易受多普勒頻移影響、較長的掃描時間增加了由于UE移動和時鐘漂移引入的誤差等缺點。另外，對于以下2 個場景，在配置的時候需要特別注意。室內場景具有低多普勒頻移、低傳播時延、低時延擴展的特點，可以配置得大一些，如配置為12.。對于UE高速移動場景，一方面，高速移動UE的位置隨著時隙變化而變化，UE 需要同時檢測更多小區(qū)的PRS，配置較大的比較合適；另一方面，高速移動的UE 多普勒頻移較大，配置較小的比較合適，建議對于UE高速移動場景，配置為4或6比較合適。

表2 PRS的定位范圍（單位：m）

c）LPRS的配置原則。LPRS是1 個時隙內的PRS 符號數，取值為2、4、6、12。LPRS的配置與和PRS 開銷等有關系。如果1個時隙內的LPRS小于則在頻域的某些子載波上會一直沒有PRS，PRS 自相關后產生較大的側峰（side peak），進而影響定位精度和定位范圍。本文建議LPRS等于或者LPRS是的整數倍，其好處是相干合成后的自相關值只有一個主峰，而沒有側峰，因此會提高定位精度，其缺點就是PRS占用的OFDM符號較多，開銷較大［11］。

3 OTDOA定位性能分析

3.1 OTDOA距離估計的CRLB分析

基于傳播時間的定位方法，如TOA 和OTDOA，需要對來自不同基站的信號進行精確的估計，OTDOA 的估計偏差直接決定了定位精度，OTDOA 的估計偏差越大，則定位誤差越大，OTDOA 估計偏差的一種評價方法是克拉美-羅下界（CRLB——Cramer-Rao lower bound）。

CRLB 是在給定的SNR 下，任何無偏估計器能夠達到的精度的下界，無偏估計的方差只能無限制的逼近CRLB，而不會小于CRLB。假設信道條件是AWGN信道，不考慮網絡的同步誤差、多徑和NLOS 傳播導致的測量誤差，PRS 信號的OTDOA 方差VAR()τ的CRLB

如式（2）所示［12］：

在式（2）中，Δf是子載波間隔，Nsymb是PRS 總的OFDM 符號數，N是PRS 帶寬內的子載波數，如果在RE(k,l)上沒有PRS，則|ak,l|=0，如果在RE(k,l)上有PRS，則|ak,l|=1。

根據式（2），可以發(fā)現，OTDOA 的方差VAR()τ依賴于SNR、子載波間隔、PRS 帶寬以及PRS 符號數LPRS和重復因子這幾個參數的值越大，OTDOA 的方差VAR(τ)越小，相應的距離估計精度就越高。

OTDOA距離估計的標準差d(σ)如式（3）所示［2］。

表3 OTDOA距離估計的CLRB（單位：m）

從表3 可以發(fā)現，隨著SNR 和帶寬的增加，OTDOA 距離估計的CLRB 迅速變小，在SNR=10 dB 的條件下，當=24、SCS=15 kHz（5 MHz帶寬）SCS=15 kHz（50 MHz 帶 寬），、SCS=30 kHz（100 MHz 帶寬），、SCS=120 kHz（400 MHz 帶寬）時，OTDOA 距離估計的CLRB 分別是0.505 m，0.013 m，0.007 m和0.002 m。

3.2 OTDOA距離估計的結果分析

文獻［13］給出了不同廠家提交的OTDOA 距離估計的評估結果。本文只列出華為的評估結果作為參考（見表4）。其中，室內開放辦公室（IOO——Indoor Open Office）、UMi 和UMa 分別對應著室內開放辦公室場景、城區(qū)街道峽谷場景（站間距是200 m）、宏基站場景（站間距是500 m）；67%、90%表示的是圓概率誤差。

表4 OTDOA距離估計的評估結果（單位：m）

從表4 可以發(fā)現，OTDOA 的定位精度比表3 計算的CLRB要低至少2個數量級，主要有以下2點原因。

a）信號傳播誤差：采用GNSS 定位，通常認為GNSS 信號是視距（LOS——Line Of Sight）傳播，而PRS信號則通常要經歷多徑和NLOS 傳播，NLOS 傳播會給UE和基站之間的定時測量帶來偏差，這個偏差對定位性能有顯著的影響；多徑傳播也會限制定位性能，其嚴重程度由多徑信號的相對幅度、相位和延遲三者共同決定；此外，蜂窩網中的嚴重干擾可能影響到PRS的正常獲取。

b）基站側誤差：網絡同步誤差會對定位性能造成影響，根據3GPP 協(xié)議，宏基站、中距基站、局域基站的頻率誤差分別是±0.05 ppm、±0.1 ppm、±0.1 ppm［14］，即網絡同步誤差分別是±50 ns、±100 ns、±100 ms，對應的距離不確定性分別是15 m、30 m和30 m，遠遠高于3 m精度的定位需求，為了達到低于3 m 的距離不確定性，NR 基站的定時誤差應小于±10 ns；此外，基站位置誤差會直接帶入定位算法中，對于用于定位目的的基站，應采用大地測量儀或高精度的GPS接收機，盡量使位置誤差限制在米級或以下［1］。

從表4 還可以得出以下結論：在不考慮網絡同步誤差的情況下，單獨依靠OTDOA 定位可以滿足表1 的少部分定位服務需求，在考慮網絡同步誤差的情況下，單獨依靠OTDOA 不能滿足表1 的定位服務需求。為了滿足表1的定位精度需求，一方面，可以通過提高SNR、采用更大的SCS、更大的PRS帶寬更長的符號數LPRS和更大的重復因子以提高OTDOA 的定位精度，其中提高SNR 的方法包括增加基站功率、功率提升、提高UE的接收機靈敏度、采用Massive-MIMO天線增加賦形增益等措施；另一方面，OTDOA 定位技術應該與GNSS、TBS（Terrestrial Beacon System）、傳感器、基于WLAN/藍牙等定位技術聯(lián)合起來使用，進一步提高定位精度、服務可靠性、服務時延等，以滿足表1的定位服務需求［3］。

4 結束語

除了利用專門的PRS 進行定位外，也可以利用屬于CSI-RS 的跟蹤參考信號（TRS——Tracking Reference Signal）進行定位，由于TRS 是用于通信目的，為了定位目的而增加的開銷遠遠小于PRS，且其定位精度與PRS 相比，只是有少量的下降，因此，對于定位精度要求不高的場景，也可以使用TRS進行定位，而基于PRS的定位使用在對定位精度和定位時延要求較高的場景［15］。總之，5G信號具有大帶寬、高SNR的優(yōu)勢，其提供的定位精度高于傳統(tǒng)的無線網絡，5G 網絡定位技術在未來具有廣闊的應用空間。