5G NR定位技術(shù)及其部署方案

張?jiān)妷? 李俊強(qiáng) 陳詩軍

摘要：提出了5G新空口（NR）在不同場景下的定位網(wǎng)絡(luò)部署方案和定位技術(shù)部署方案。其中，定位網(wǎng)絡(luò)部署包括基于核心網(wǎng)部署的架構(gòu)和基于本地計(jì)算部署的架構(gòu)。5G不同場景下的定位技術(shù)部署包括室外單站的往返時(shí)間（RTT）+到達(dá)角（AOA）方案部署、室外多站的RTT方案部署、室內(nèi)室分環(huán)境的上行信號到達(dá)時(shí)間差（UL-TDOA）部署，以及室內(nèi)室分+融合定位的QCell+X無線定位等。這些技術(shù)和方案能為5G時(shí)代的定位部署帶來重要參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：5G；定位技術(shù)；部署方案

Abstract： The location network deployment scheme and positioning technology deployment of 5G new radio （NR） in different scenarios are put forward. Positioning network deployment includes the overall architecture of core network and local deployment. 5G positioning technology deployment in different scenarios includes outdoor single station round trip time （RTT） + angle of arrival （AOA） scheme deployment， outdoor multi-RTT scheme deployment， indoor distributed environment up-link time difference of arrival（UL-TDOA） deployment， indoor distributed + integrated positioning Qcell + X wireless positioning. These technologies and solutions can bring great reference value for the positioning development in 5G era.

Keywords： 5G； positioning technology； deployment scheme

1 5G定位特點(diǎn)

在信息社會中，對位置的精確描述已經(jīng)成為各行各業(yè)的基本要求。據(jù)估算，有60%～80%的信息與空間信息密切相關(guān)。位置信息已經(jīng)成為整個(gè)社會信息流的重要組成部分。同時(shí)，智能手機(jī)已經(jīng)成為人類生活中不可或缺的一部分，并為用戶的位置服務(wù)提供了終端設(shè)備基礎(chǔ)。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷推進(jìn)，各垂直行業(yè)對室內(nèi)定位的需求日益迫切，例如智慧工廠、智慧醫(yī)院、智慧停車場等室內(nèi)定位典型應(yīng)用場景[1-3]。定位能力是5G核心能力之一。5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋一體化有助于實(shí)現(xiàn)高精度定位。這將進(jìn)一步為企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值，為千行百業(yè)的客戶提供更高水平的服務(wù)。

5G包含新的編碼方式、波束賦形、大帶寬、大規(guī)模天線陣列、毫米波頻譜等一系列關(guān)鍵技術(shù)。其中，大帶寬和天線陣列技術(shù)為高精度的距離和角度測量提供了基礎(chǔ)。5G將實(shí)現(xiàn)更加密集的組網(wǎng)，基站密度也會顯著提高。這將有利于實(shí)現(xiàn)多基站協(xié)作和高精度定位。Rel-16標(biāo)準(zhǔn)包含增強(qiáng)型小區(qū)標(biāo)識（ECID）、多站往返時(shí)間（Multi-RTT）、下行離開角測量法（DL-AOD）、 下行信號到達(dá)時(shí)間差（DL-TDOA）、上行信號到達(dá)時(shí)間差（UL-TDOA）、上行到達(dá)角（UL-AOA）等一系列定位方法[2]。這些定位方法具有亞米級的定位精度，從而可大大拓展定位技術(shù)的應(yīng)用場景。

總的來說，隨著5G系統(tǒng)的建設(shè)，精確的位置服務(wù)能力將得到進(jìn)一步增強(qiáng)。在實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的同時(shí)，位置服務(wù)將進(jìn)一步改善消費(fèi)者的生活，并為各行業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 5G新空口（NR）定位技術(shù)

2.1 5G NR定位標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

Rel-9—Rel-11的通信系統(tǒng)定位主要基于時(shí)間測量的觀測到達(dá)時(shí)間差（OTDOA）、UL-TDOA和小區(qū)標(biāo)識（CID），定位精度不高，一般在50～150 m。這個(gè)階段屬于長期演進(jìn)（LTE）低精度定位階段。在該階段的基礎(chǔ)上，Rel-12—Rel-14提出了更高精度的要求，并給出了多種定位技術(shù)融合的方案，使定位精度達(dá)到10～100 m。Rel-15—Rel-16不僅提出了5G利用多輸入多輸出（MIMO）的多波束特性來進(jìn)行定位增強(qiáng)，同時(shí)還定義了基于蜂窩小區(qū)的RTT、DLTDOA、到達(dá)角（AOA）、離開角（AOD）等定位技術(shù)，使定位精度達(dá)到3～10 m。文獻(xiàn)[4]對這些定位技術(shù)的特點(diǎn)、上行定位和下行定位的優(yōu)劣勢等做了具體分析。由于R16的定位精度還不能滿足一些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的需求，因此Rel-17將進(jìn)一步把室內(nèi)定位的精度提升到厘米級。

2.2 Rel-16定位技術(shù)

在2020年6月凍結(jié)的Rel-16版本中，第三代合作伙伴（3GPP）定義了室內(nèi)定位場景，明確了5G定位的定位精度和端到端定位時(shí)延：水平維和垂直維的定位精度均小于3 m（區(qū)域內(nèi)80%用戶），端到端時(shí)延小于1 s。針對這一精度和時(shí)延，3GPP采用的主要定位技術(shù)包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA和Multi-RTT。這些技術(shù)所能達(dá)到的定位精度和條件如表1所示。

2.2.1 Multi-RTT

到達(dá)時(shí)間差（TDOA）定位技術(shù)需要用戶和基站保持同步。對于非服務(wù)基站來說，要保持高精度同步是比較困難的。Multi-RTT是5G R16上行定位和下行定位結(jié)合的定位方法，具有較高的定位精度，可基于用戶設(shè)備（UE）和多個(gè)基站（或信號收發(fā)點(diǎn)）來互發(fā)參考信號，并根據(jù)UE接收信號與發(fā)送信號的時(shí)間差、gNB接收信號與發(fā)送信號的時(shí)間差，以及ULAOA等數(shù)據(jù)來確定UE的位置。該定位方法雖然需要同時(shí)配置上下行參考信號，但是不會受到站間同步精度的影響。RTT算法將基站到UE的傳輸時(shí)間分解成兩個(gè)部分，并基于這兩個(gè)部分的測量結(jié)果來計(jì)算RTT[2]。

如圖1所示，RTT的流程要求UE和發(fā)射結(jié)點(diǎn)（基站）都測量TOA。對于下行信號，基站用基站本地時(shí)鐘記錄發(fā)射時(shí)間t0， 終端用終端的本地時(shí)鐘測量下行信號的到達(dá)時(shí)間t1； 對于上行信號，終端用終端的本地時(shí)鐘記錄發(fā)射時(shí)間t2，基站用基站的本地時(shí)鐘測量上行信號的到達(dá)時(shí)間t3。最終系統(tǒng)測得的雙程時(shí)間為（t3-t0）-（t2-t1）。其中，接收信號相對于發(fā)送信號的時(shí)間差為t3-t0，gNB對應(yīng)的時(shí)間差為t2-t1。由于gNB和UE的接收信號與發(fā)送信號的時(shí)間差均為相對時(shí)間差，并且兩者的參考時(shí)鐘均為終端和基站的本地時(shí)鐘，因此，RTT定位技術(shù)不要求基站和終端保持同步。

2.2.2 NR-TDOA（上行/下行）

5G R16定義了上行和下行TDOA的定位方法。以下行為例，該方法的基本思想是：首先讓UE接收不同基站的下行定位參考信號（PRS），使之與本地產(chǎn)生的已知PRS序列做相關(guān)運(yùn)算；然后尋找首達(dá)徑來估計(jì)到達(dá)時(shí)間，并計(jì)算不同基站的到達(dá)時(shí)間與參考基站的到達(dá)時(shí)間差（RSTD）；最后采用高斯-牛頓算法、CHAN算法等算法解出UE的位置坐標(biāo)。在3G階段，3GPP就已經(jīng)引入TDOA方法。由于LTE和5G是同步系統(tǒng)，因此TDOA定位方法在4G、5G階段得到了持續(xù)改進(jìn)。這使高精度TDOA定位方法的商用成為可能。

TDOA的定位方法需要基站之間保持同步，但不要求基站和終端之間保持同步。當(dāng)把兩個(gè)基站作為中心點(diǎn)時(shí)，用戶位置到兩個(gè)中心點(diǎn)的差就會構(gòu)成一個(gè)雙曲線。如果存在另外一個(gè)由基站和參考基站構(gòu)成的雙曲線，那么兩個(gè)雙曲線的交點(diǎn)就是用戶的位置。ULTDOA的定位原理和DL-TDOA相同，兩者的主要區(qū)別是：UE需要發(fā)射上行參考信號，由基站端來測量時(shí)間差。

2.2.3 ECID

ECID定位方法是對CID進(jìn)行增強(qiáng)的方法，它將服務(wù)小區(qū)的基站位置作為用戶的位置。ECID定位方法跟基站的覆蓋范圍有關(guān)，定位精度比較低，但仍具有一些優(yōu)點(diǎn)：（1）容易實(shí)現(xiàn)，成本較低，并且適用于所有蜂窩網(wǎng)絡(luò)；（2）手機(jī)側(cè)無須做任何軟硬件修改，網(wǎng)絡(luò)側(cè)不需要增加新的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體。基于這些優(yōu)點(diǎn)，ECID定位方法經(jīng)常在其他定位方法失敗時(shí)被作為輔助定位方法使用。

為了進(jìn)一步提高CID方法的精度，3GPP提出一些新舉措，比如，結(jié)合扇區(qū)天線的方向性將定位區(qū)域縮小到某個(gè)方向范圍內(nèi)，或者結(jié)合時(shí)間量（TA）、參考信號接收功率（RSRP）將用戶位置縮小到以基站為中心的同心圓內(nèi)。因此，ECID也可以和RTT、TOA、AOA方法融合，以減小用戶的位置誤差[5]。

2.2.4 AOA

UL-AOA定位技術(shù)需要在每個(gè)蜂窩小區(qū)站點(diǎn)上放置天線陣列。由于每個(gè)接收天線到發(fā)射天線的距離不同，因此不同接收天線的信號之間存在相位差。借助相位差信息，我們可以確定終端發(fā)送信號相對于蜂窩基站信道的AOA。同時(shí)，多個(gè)蜂窩基站可均以測量同一個(gè)終端信號的AOA。利用基站坐標(biāo)和AOA，我們就可以得到多個(gè)射線方程，這些射線方程的交點(diǎn)就是終端的位置。

AOA是基于角度的定位方法，它可以在僅有兩個(gè)基站的情況下定位用戶位置。當(dāng)與RTT測量相結(jié)合時(shí)，該方法只需要一個(gè)基站就可以完成用戶定位。雖然AOA定位方法不要求同步，但是它需要基站配備較大規(guī)模的天線陣列，以獲得較為準(zhǔn)確的角度信息。由于使用的頻段不同，AOA使用的天線陣列和形態(tài)也不相同，這將影響測角精度。此外，天線陣列的天線數(shù)目、用戶與基站之間的距離等因素都會影響AOA定位方法的精度。

3 5G NR定位產(chǎn)品化部署方案

3.1 5G定位部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）基于核心網(wǎng)的5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖2所示，5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是3GPP定義的標(biāo)準(zhǔn)定位網(wǎng)路架構(gòu)[6]。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要特點(diǎn)是通過核心網(wǎng)定位管理功能（LMF）、認(rèn)證管理功能（AMF）、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理（UDM）等多個(gè)網(wǎng)元來執(zhí)行位置服務(wù)業(yè)務(wù)操作。5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)適用于普通消費(fèi)者業(yè)務(wù)，它是面向用戶（To C）的定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。To C定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠滿足控制面板和用戶面的定位需求，不僅支持手機(jī)號/IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），還支持3GPP定義的所有定位方法，例如RTT、DL-TDOA、UL-TDOA、AOA等。

然而，To C定位網(wǎng)路架構(gòu)也存在一些局限性。例如，定位數(shù)據(jù)因被保存在核心網(wǎng)中而不能滿足企業(yè)對定位數(shù)據(jù)保密性的要求，定位流程相對較復(fù)雜，定位系統(tǒng)部署成本較高等。

（2）基于本地計(jì)算的5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

對于面向業(yè)務(wù)（To B）的應(yīng)用，我們可采用本地計(jì)算部署定位服務(wù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要特點(diǎn)是：可以通過手機(jī)號/ IMS/IP進(jìn)行定位，且定位的方式與3GPP定義的所有定位方式相同，如RTT、DL-TDOA、UL-TDOA、AOA等。該架構(gòu)支持終端終結(jié)（MT）、終端發(fā)起（MO）等定位服務(wù)方式，可滿足企業(yè)對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行本地管理的要求。移動邊緣計(jì)算（MEC）的基于定位的服務(wù)（LBS）具有定位管理功能（LMF）等部分網(wǎng)元功能。這種本地計(jì)算定位架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)本地化，符合To B客戶對定位數(shù)據(jù)的管理要求。該架構(gòu)可以進(jìn)一步簡化定位流程，降低部署成本，從而推動大多數(shù)To B應(yīng)用場景的落地。除了圖3所示的架構(gòu)外，本地計(jì)算架構(gòu)還有其他方案，例如把核心網(wǎng)網(wǎng)元LMF直接下沉部署在本地的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中。然而，由于定位流程沒有變化，因此這種架構(gòu)在定位流程和數(shù)據(jù)的本地化方面仍然存在不足。

3.2 5G定位技術(shù)部署

（1）室外單站場景下的定位技術(shù)部署

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近30%的蜂窩網(wǎng)場合中，手機(jī)只能收到一個(gè)基站的信號。這種情況無論是在室內(nèi)單站還是在室外單站都是比較常見的。此外，5G大規(guī)模MIMO基站已經(jīng)成為常規(guī)硬件設(shè)施，具備高精度角度估計(jì)的硬件基礎(chǔ)。因此，單站RTT技術(shù)成為這種場景的高精度定位技術(shù)。

在進(jìn)行室外單站場景下的定位技術(shù)部署時(shí)，基站發(fā)射PRS信號，終端發(fā)射信道探測參考（SRS）信號。該方案首先通過RTT來獲得基站和終端之間的距離信息；然后通過基站的大規(guī)模MIMO來測量終端SRS信號的ULAOA，以得到角度信息；最后通過距離信息和AOA來計(jì)算出終端位置，具體如圖4所示。

值得一提的是，當(dāng)同時(shí)有多個(gè)基站信號覆蓋時(shí)，我們可以綜合多個(gè)RTT+AOA方程使定位精度得到進(jìn)一步提高。

（2）室外多站場景下的定位技術(shù)部署

在室外的多站場景下，小區(qū)可觀測到一定的基站數(shù)目（大于3個(gè)）。此時(shí)可以通過UE和多個(gè)基站（信號收發(fā)點(diǎn)）互發(fā)參考信號，以測得多個(gè)RTT值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)觀測基站的數(shù)量超過4個(gè)時(shí)，我們還可采用DL-TDOA帶內(nèi)定位網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大容量高精度定位[7]。

以多站RTT為例，在進(jìn)行室外多站場景下的定位技術(shù)部署時(shí)，終端與3個(gè)基站互發(fā)參考信號，以測量接收端到發(fā)送端的時(shí)間差并獲得RTT。最終3個(gè)圓的交點(diǎn)即為終端位置，具體如圖5所示。多站RTT技術(shù)對系統(tǒng)的同步要求較低。目前，由于5G蜂窩網(wǎng)基站的同步時(shí)間精度為100 ns～2 us，因此室外多站場景比較適合采用RTT技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高精度定位。

（3）室內(nèi)室分場景下的定位技術(shù)部署

在室內(nèi)室分的場景下，一般基站射頻單元的布設(shè)距離為20～30 m。大多數(shù)場合都能滿足終端信號被多個(gè)射頻單元接收的條件。因此，我們可以通過基站測量的UL-TDOA來評估定位結(jié)果。

在進(jìn)行室內(nèi)室分場景下的定位技術(shù)部署時(shí)，UL-TDOA使用多個(gè)基站來測量從UE發(fā)送的上行參考信號。該方案的基本定位原理與DL-TDOA定位方法類似，即通過計(jì)算多個(gè)雙曲線交點(diǎn)來求解UE的位置坐標(biāo)。兩者的區(qū)別是：DL-TDOA定位方法測量的是下行參考信號到UE的時(shí)間差，而UL-TDOA測量的是上行參考信號到基站的時(shí)間差。由于UL-TDOA技術(shù)對同步也有較高的要求，因此，室分系統(tǒng)需要在射頻單元之間借助一定方式來消除同步誤差。

UL-TDOA定位技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠兼容目前市場上的5G手機(jī)，即無須對手機(jī)做改動就可以實(shí)現(xiàn)5G高精度定位。與其他定位技術(shù)相比，ULTDOA定位技術(shù)在產(chǎn)業(yè)鏈方面具有巨大優(yōu)勢。

（4）室內(nèi)室分+X融合定位技術(shù)部署

為了解決各種場景的室內(nèi)定位問題，除了通信網(wǎng)定位技術(shù)外，市場上也出現(xiàn)了各種豐富的定位技術(shù)，例如藍(lán)牙、超寬帶（UWB）、WiFi等。這些定位技術(shù)在市場上都占有一定規(guī)模。為了充分利用這些現(xiàn)有的定位系統(tǒng)來滿足每個(gè)廠家和用戶的需求，Qcell+X（X為藍(lán)牙、UWB等）技術(shù)方案采用與定位設(shè)備融合的方法來進(jìn)一步提高定位精度，增加系統(tǒng)的靈活性，以便應(yīng)對更加復(fù)雜的室內(nèi)場景。Qcell+X的技術(shù)部署如圖6所示。

在室分+X的融合定位系統(tǒng)中，Qcell不僅可以為X設(shè)備供電、配置定位、回傳信息、融合定位數(shù)據(jù)等，還可以實(shí)現(xiàn)各種形態(tài)的組網(wǎng)方式。通過充分融合藍(lán)牙、UWB、WiFi等設(shè)備的強(qiáng)大且靈活的定位能力，室內(nèi)室分+X融合定位技術(shù)可滿足不同場景的需求，例如低成本亞米級別的藍(lán)牙AOA定位和厘米級別的UWB定位等。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地闡述了未來5G定位網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)和相關(guān)的定位技術(shù)部署。針對To C和To B兩種不同的需求，本文提出了兩種不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，并針對Rel-16協(xié)議確定了不同場景下的定位技術(shù)部署方案。這些定位技術(shù)的部署方案將推動5G高精度定位技術(shù)在各種行業(yè)中的部署應(yīng)用。

致謝

本論文的研究得到中興通訊股份有限公司曹長江、黃河、陳大偉3位工程師的幫助，對他們謹(jǐn)致謝意！

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作者簡介

張?jiān)妷?，中興通訊股份有限公司無線研究院RAN研發(fā)中心副主任，高級工程師；主要研究方向?yàn)?G/5G系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；先后主持和參加基金項(xiàng)目2項(xiàng)，獲2016年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)；發(fā)表論文5篇，申請專利10余項(xiàng)。

李俊強(qiáng)，中興通訊股份有限公司標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研算法工程師；主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o線定位算法和傳感器定位算法的預(yù)研與實(shí)現(xiàn)、多徑信號仿真分析等；參與國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目1項(xiàng)；申請專利3項(xiàng)。

陳詩軍（通信作者），中興通訊股份有限公司高精度定位技術(shù)總工程師，教授級高工；主要研究方向?yàn)楦呔榷ㄎ痪W(wǎng)技術(shù)、融合定位技術(shù)、無線信道仿真、MIMO等；主持制定國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)10余項(xiàng)，主持國家科技重大專項(xiàng)等20余項(xiàng)，獲得省級科技獎(jiǎng)等10余項(xiàng)；發(fā)表論文30余篇，申請專利100余項(xiàng)。