5G通導(dǎo)融合高精度定位技術(shù)進(jìn)展及仿真驗(yàn)證平臺(tái)

賈興華，劉鵬，齊望東,4，劉升恒,4，黃永明,4，李佳璐，徐佳

（1.網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211111；2.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106；3.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210023；4.東南大學(xué)，江蘇 南京 211134）

0 引言

位置服務(wù)首先隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的普及進(jìn)入發(fā)展快車道，2019年，高德、谷歌、百度等主流導(dǎo)航應(yīng)用的日均服務(wù)請(qǐng)求均超過(guò)千億次。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興數(shù)字應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，使得對(duì)智能網(wǎng)聯(lián)終端提供實(shí)時(shí)高精度定位服務(wù)成了新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵服務(wù)能力。伴隨工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，定位基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)收益預(yù)計(jì)在2025年達(dá)到近130億美元[1]。為推進(jìn)我國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要已將高精度定位技術(shù)作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，建設(shè)以北斗系統(tǒng)為核心的定位、導(dǎo)航、授時(shí)（positioning，navigation，timing，PNT）體系。北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只能在室外開(kāi)闊區(qū)域提供精確導(dǎo)航定位，而在垂直行業(yè)中常見(jiàn)的室內(nèi)環(huán)境（如工廠、樓宇、隧道、地下空間等）如何提供普適高精度位置服務(wù)仍然是亟待解決的重大技術(shù)難題[2]。盡管 Wi-Fi、藍(lán)牙、超寬帶（ultra wideband，UWB）等多種技術(shù)手段都可用于室內(nèi)定位并有成功應(yīng)用案例[3]，但是額外部署定位專用基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)的高昂建設(shè)成本以及技術(shù)碎片化導(dǎo)致的維護(hù)成本阻礙了上述定位技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。根據(jù)美國(guó)技術(shù)情報(bào)機(jī)構(gòu)（Allied BusinessIntelligence Inc.，ABI Research）的調(diào)查，在定位垂直行業(yè)中，有超過(guò) 87%的用戶雖然對(duì)室內(nèi)定位有迫切需求，但目前仍未部署定位系統(tǒng)[1]。

利用泛在的 5G網(wǎng)絡(luò)為智能終端提供通導(dǎo)融合的高精度位置服務(wù)可避免基礎(chǔ)設(shè)施重復(fù)建設(shè)，充分發(fā)揮5G新基建賦能垂直行業(yè)的作用，而5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、多天線、密集部署等新特征也為實(shí)現(xiàn)高精度定位帶來(lái)新契機(jī)。同時(shí)，增強(qiáng)高精度定位能力是 5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中持續(xù)關(guān)注的新特性，5G定位標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)如圖1所示。2020年7月凍結(jié)的Release 16（Rel-16）標(biāo)準(zhǔn)引入了兩個(gè)專門(mén)用于定位增強(qiáng)的信號(hào)，即下行的定位參考信號(hào)（positioning reference signal，PRS）和上行的定位探測(cè)參考信號(hào)（sounding reference signal for positioning，SRS-Pos），將室內(nèi)定位精度目標(biāo)設(shè)定為3 m[4]。Rel-17標(biāo)準(zhǔn)則進(jìn)一步將室內(nèi)定位精度目標(biāo)提升至1 m[5]。2021年年底，第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）將人工智能/機(jī)器學(xué)習(xí)定位增強(qiáng)、直連鏈路定位等新技術(shù)列為Rel-18標(biāo)準(zhǔn)的研究立項(xiàng)，以持續(xù)改進(jìn)定位精度和效率[6]。未來(lái)，6G也將致力于為車聯(lián)網(wǎng)（vehicle to everything，V2X）等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供三維厘米級(jí)精度的位置服務(wù)[7]。

圖1 5G定位標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

從技術(shù)手段看，5G經(jīng)典定位方法主要通過(guò)測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)距進(jìn)而定位，包括到達(dá)時(shí)間差（time difference of arrival，TDOA）測(cè)距、往返時(shí)間（round-trip time，RTT）測(cè)距等[8]。受限于時(shí)間同步精度1例如，GPS的同步精度通常為10～30 ns，北斗系統(tǒng)的同步精度通常為20～50 ns，測(cè)距誤差通常大于米級(jí)，這使得定位精度很難突破米級(jí)，在室內(nèi)環(huán)境中尤其如此。在學(xué)術(shù)界，很多機(jī)構(gòu)致力于提高測(cè)距定位的精度。例如，北京郵電大學(xué)鄧中亮團(tuán)隊(duì)[9]開(kāi)展的基于5G共頻帶信號(hào)的理論與實(shí)測(cè)研究，武漢大學(xué)陳亮團(tuán)隊(duì)[10]應(yīng)用載波相位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，美國(guó)紐約大學(xué)無(wú)線中心以及德國(guó)萊布尼茨創(chuàng)新研究所[11-12]開(kāi)展毫米波頻段測(cè)距定位技術(shù)研究，最高定位精度達(dá)到厘米級(jí)。然而相關(guān)研究仍未成熟，當(dāng)前5G設(shè)施以及商用部署條件不能滿足高精度測(cè)距的基本需求。在產(chǎn)業(yè)界，華為聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)等在蘇州地鐵部署了首個(gè) 5G室內(nèi)定位系統(tǒng)，采用 TDOA定位方法達(dá)到了90%概率的3～5 m的定位精度，這是當(dāng)前 5G定位在實(shí)際商用部署中所報(bào)告的最佳性能[1]。

除了傳統(tǒng)的測(cè)距定位方法，Rel-16 5G標(biāo)準(zhǔn)中首次引入測(cè)向定位方法，包括上行到達(dá)角（uplink angle-of-arrival，UL-AOA）與下行離開(kāi)角（downlink angle-of-departure，DL-AOD）方法。測(cè)向定位方法不依賴基站間的精準(zhǔn)時(shí)間同步，且得益于5G信號(hào)帶寬大、天線數(shù)量多、布設(shè)密度大等優(yōu)勢(shì)，具備實(shí)現(xiàn)更高定位精度的潛力。目前，對(duì)5G測(cè)向定位方法的研究工作主要包括以下幾個(gè)。

? 2019年，華為芬蘭研發(fā)中心[13]利用軟件無(wú)線電平臺(tái)開(kāi)展基于到達(dá)角（angle-of-arrival，AOA）的定位研究，在室外開(kāi)放環(huán)境的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AOA定位方法在超密集部署的5G網(wǎng)絡(luò)中有望達(dá)到亞米級(jí)定位精度。

? 2021年，上海交通大學(xué)何迪課題組[14]首次報(bào)告了基于商用5G基站進(jìn)行測(cè)向定位的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用4個(gè)密集部署的5G宏基站聯(lián)合定位，在室內(nèi)環(huán)境下達(dá)到了亞米級(jí)精度。

? 2021年，中興、高通聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)[15]開(kāi)展UL-AOA與多基站RTT（multi-RTT）測(cè)距聯(lián)合定位技術(shù)驗(yàn)證，利用宏基站在室外無(wú)遮擋環(huán)境下達(dá)到了單基站2.1 m、多基站1 m的定位精度。

由于測(cè)向定位方法要求基站天線數(shù)量較多、基站位置和陣列天線的方位需要精準(zhǔn)標(biāo)定，施工要求嚴(yán)格，通常被認(rèn)為只適用于室外的宏基站定位[16]。目前尚未見(jiàn)到基于室內(nèi)部署的5G微（皮）基站和標(biāo)準(zhǔn)通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)測(cè)向定位的研究報(bào)道。除了微（皮）基站天線數(shù)量受限、部署標(biāo)定代價(jià)高，在室內(nèi)環(huán)境中普遍存在的多徑、非視距（non-line-of-sight，NLOS）傳播效應(yīng)對(duì)測(cè)向精度的影響也比測(cè)距定位方法更為顯著[17]。

另一方面，5G行業(yè)應(yīng)用中室內(nèi)定位需求強(qiáng)烈，亟須完整的定位解決方案，因此突破現(xiàn)有限制因素，探索基于室內(nèi)基站的高精度定位方法勢(shì)在必行。雖然目前已有先進(jìn)的面向 5G/B5G的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)[18]，但由于室內(nèi)定位精度受部署環(huán)境、設(shè)備硬件損傷、基站位置和密度等多種因素影響，這些物理層面的限制并不能在現(xiàn)有試驗(yàn)平臺(tái)上得到有效分析。為實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位能力，5G定位技術(shù)仍存在諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

1 5G高精度定位技術(shù)挑戰(zhàn)

5G標(biāo)準(zhǔn)在Rel-16進(jìn)行了定位增強(qiáng)，除了保留4G原有的7種定位方法，為了支持更高定位精度，引入了6種新的定位參數(shù)測(cè)量方法[19]。其中，上行 TDOA（UL-TDOA）、下行 TDOA（DL-TDOA）、multi-RTT 3種方法同屬基于測(cè)距的定位方法，而UL-AOA和DL-AOD兩種方法屬于基于測(cè)向的定位方法，新空口（new radio，NR）E-CID（enhanced cell-identity）方法則是結(jié)合測(cè)距和測(cè)向的定位方法。雖然這些方法理論上具有高精度測(cè)量的潛力，但5G設(shè)備的硬件非線性、有限多徑分辨能力以及基站部署與施工帶來(lái)的基線校準(zhǔn)誤差等問(wèn)題，嚴(yán)重改變了接收信號(hào)模型，使得上述定位技術(shù)難以直接獲得高精度結(jié)果。而各種定位技術(shù)又依賴不同的測(cè)量方法，誤差模型也相應(yīng)改變，因而面臨著不同方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，本節(jié)將具體分析這些測(cè)量方法面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.1 TDOA技術(shù)挑戰(zhàn)

DL-TDOA是4G/5G常用的測(cè)距定位方法，算法簡(jiǎn)單且運(yùn)算量小，也因此在5G標(biāo)準(zhǔn)中特別增加了專用的定位參考信號(hào)（PRS）。該定位方法中，終端測(cè)量從多個(gè)發(fā)射/接收點(diǎn)（transmit/receive point，TRP）發(fā)送下行 PRS的相對(duì)信號(hào)時(shí)間差（relative signal time difference measurement，RSTD），再利用雙曲線交叉的數(shù)學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)三邊或者多邊定位，DL-TDOA定位原理如圖2所示。特別的是，PRS的靜音模式可有效規(guī)避不同TRP發(fā)送的PRS之間的干擾問(wèn)題。此外，相比4G的定位方法，5G定位增加了波束成形設(shè)計(jì)，可尋找到最佳發(fā)送接收波束對(duì)，并以此增加定位精度。

圖2 DL-TDOA定位原理

DL-TDOA定位方法的具體描述如下：首先假設(shè)ti(i= 1,… ,N)表示從基站i到終端的達(dá)到時(shí)間，bi表示基站i坐標(biāo)，xUE表示終端坐標(biāo)，ω表示公共時(shí)間偏差。假定每個(gè) 服從獨(dú)立高斯分布，且方差為σi2、均值為ω+ | |bi?xUE||，則概率密度函數(shù)為：

式（1）的最大似然估計(jì)等價(jià)于最小二乘估計(jì)（least squares estimation，LS），該終端位置xUE為：

假定iΔ是基站i相對(duì)于TRP1的時(shí)間差，其中TRP1是參考小區(qū)，iΔ定義為：

結(jié)合式（2）與式（3），最終可得到：

此時(shí)，可以利用泰勒擴(kuò)展或者加權(quán)最小二乘解計(jì)算終端位置。

UL-TDOA是5G Rel-16新增的上行測(cè)距定位方法，該方法類似于DL-TDOA，不同點(diǎn)在于終端發(fā)送上行探測(cè)參考信號(hào)（sounding reference signal，SRS），基站多個(gè)TRP同時(shí)接收該信號(hào)并測(cè)量相對(duì)到達(dá)時(shí)間（relative time of arrival，RTOA），最終由核心網(wǎng)位置管理功能（location management function，LMF）計(jì)算終端位置。該方法因終端發(fā)送功率受限，基站側(cè)可監(jiān)聽(tīng)性會(huì)受到影響。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于 5G系統(tǒng)的非理想性，TDOA測(cè)距精度會(huì)明顯受制于同步、時(shí)鐘漂移、系統(tǒng)帶寬、器件延遲等硬件因素。具體來(lái)說(shuō)，基站間的同步誤差是限制TDOA精度的首要因素，任意兩個(gè)基站測(cè)量的TDOA都包含這兩個(gè)基站間的同步誤差，而4G/5G通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際站間同步精度要求為±1.5 μs，對(duì)應(yīng)的測(cè)距誤差可達(dá)上百米。雖然在同一基站的多 TRP站間或者直連多 TRP站間的同步誤差相對(duì)低，但對(duì)TDOA測(cè)距精度影響依然明顯，與此同時(shí)，基站本身的晶振漂移同樣會(huì)影響TDOA精度，例如一般基站的晶振漂移約為±20 ppb，即每秒存在20 ns的時(shí)鐘誤差，而這對(duì)應(yīng)了6 m的測(cè)距誤差。

除了時(shí)鐘同步問(wèn)題，5G收發(fā)機(jī)鏈路中各硬件模塊的延遲補(bǔ)償精度也會(huì)影響TDOA測(cè)量精度。以接收機(jī)鏈路為例，主要的時(shí)延誤差體現(xiàn)在接收陣列天線端時(shí)延、射頻處理時(shí)延與數(shù)字前端時(shí)延3個(gè)部分，接收機(jī)鏈路時(shí)延誤差示例如圖3所示。雖然 5G系統(tǒng)會(huì)對(duì)鏈路各模塊時(shí)延有相應(yīng)的補(bǔ)償機(jī)制，但當(dāng)前時(shí)延抖動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重，仍難以滿足亞米級(jí)測(cè)量精度的需要。另外，環(huán)境溫度也是不可忽視的因素，晶振抖動(dòng)與硬件時(shí)延變化都會(huì)受到環(huán)境溫度影響。

由于5G網(wǎng)絡(luò)處于無(wú)線多徑環(huán)境中，存在相對(duì)時(shí)延很短的強(qiáng)反射徑，這需要系統(tǒng)具備較高的路徑分辨率，然而5G系統(tǒng)sub-6 GHz頻段的最大信號(hào)帶寬為100 MHz，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分辨率為10 ns，這意味著反射徑與直達(dá)徑時(shí)延差在10 ns以內(nèi)時(shí)，無(wú)法區(qū)分兩者，因而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量直達(dá)徑的到達(dá)時(shí)間差。

1.2 RTT技術(shù)挑戰(zhàn)

RTT定位方法同時(shí)利用了下行 PRS和上行SRS，終端與基站分別測(cè)量天線端口收發(fā)參考信號(hào)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算二者之間的TDOA，RTT測(cè)量值誤差分析原理如圖4所示。與TDOA測(cè)量方法不同的是，RTT方法可以有效消除基站間的同步誤差，但代價(jià)是需要對(duì)參考信號(hào)往返時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量。理想情況下終端在接收PRS的同時(shí)立刻發(fā)送 SRS，以避免晶振漂移帶來(lái)的影響，其測(cè)距精度主要取決于終端或基站設(shè)備中基帶到天線端口鏈路的時(shí)延測(cè)量精度，可通過(guò)降低鏈路延遲抖動(dòng)，對(duì)時(shí)延補(bǔ)償以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。然而實(shí)際系統(tǒng)中不可避免存在等待間隔，所以RTT測(cè)量精度仍受時(shí)鐘漂移影響。在多站差分RTT方法中，對(duì)用戶到不同基站的RTT進(jìn)行差分處理，可以消除終端發(fā)送和接收的時(shí)延誤差影響。

綜上，測(cè)距定位方法的測(cè)量精度影響因素見(jiàn)表1。

表1 測(cè)距定位方法的測(cè)量精度影響因素

1.3 UL-AOA技術(shù)挑戰(zhàn)

UL-AOA方法是利用終端發(fā)送SRS，基站測(cè)量信號(hào)達(dá)到陣列天線的到達(dá)角，再通過(guò)多基站的角度交叉計(jì)算進(jìn)行定位的一種方法。在僅有AOA定位方法的情況下，兩個(gè)基站即可完成終端定位。常用的 AOA角度估計(jì)算法有數(shù)字波束成形（digital beam forming，DBF）算法和多重信號(hào)分類（multiple signal classification，MUSIC）算法。

波束成形算法需要計(jì)算方向矢量和信道系數(shù)矩陣之間的相關(guān)性，需要遍歷所有到達(dá)角獲取最大的相關(guān)值，即：

其中，H為二維M×D矩陣，D是沖擊響應(yīng)樣點(diǎn)數(shù)量，M是接收天線數(shù)量。a()θ是M維方向矢量，如式（6）所示。

超分辨算法是利用噪聲子空間和方向矢量的非相關(guān)性獲取最小相關(guān)值的算法，最優(yōu)角度可通過(guò)譜峰搜索獲得，如式（7）所示。該算法計(jì)算量較大，需要進(jìn)行奇異值分解矩陣分解。為了減少遍歷角度帶來(lái)的運(yùn)算量問(wèn)題，可以利用快速傅里葉變換等方法降低搜索復(fù)雜度。

其中，UL是相關(guān)矩陣R=E{HHH}中L維的噪聲子空間。

在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)向算法對(duì)器件非線性、無(wú)線環(huán)境、基站部署等因素非常敏感，必須對(duì)各類誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償，并設(shè)計(jì)高分辨測(cè)向算法等以提高測(cè)向精度。

5G系統(tǒng)的硬件損傷是影響測(cè)向精度的首要因素。AOA估計(jì)算法是利用陣列天線接收信號(hào)的相位差信息，而該相位差極容易受到陣元方向圖與位置誤差、陣元間互耦效應(yīng)以及射頻通道的相位偏移等硬件損傷因素影響。特別地，陣列天線間的相位偏移隨入射角度明顯變化，且在大角度時(shí)尤為明顯。雖然已有大量相關(guān)文獻(xiàn)致力于不同硬件損傷下的相位偏差建模與補(bǔ)償技術(shù)研究，陣列天線相位偏移等因素仍然是制約測(cè)向定位精度的棘手難題。另外，測(cè)向方法對(duì)基站部署密度、位置、基線精度等因素要求也非常高，需要基站天線精確部署，這將帶來(lái)巨大的部署與維護(hù)成本。毫米波頻段的系統(tǒng)是基于波束的通信鏈路，通過(guò)多天線信號(hào)的加權(quán)合并形成模擬波束，這使得陣元間的特殊相位偏移關(guān)系不再滿足。

無(wú)線多徑效應(yīng)是制約角度估計(jì)分辨率的關(guān)鍵因素。在實(shí)際環(huán)境中，特別是城市、室內(nèi)環(huán)境中的多徑效應(yīng)會(huì)對(duì)AOA的估計(jì)造成嚴(yán)重的影響。例如，對(duì)于僅有4陣元的小孔徑陣列天線而言，當(dāng)陣列為陣元間距半波長(zhǎng)的等距線陣時(shí)，其法向的半功率波束寬度約為25°，這時(shí)與直達(dá)信號(hào)方向同屬于 25°內(nèi)的短時(shí)延多徑信號(hào)分量容易與直達(dá)信號(hào)混疊，導(dǎo)致較大的AOA估計(jì)偏差。此外，當(dāng)終端與基站之間的直達(dá)徑完全被遮擋，即呈現(xiàn)NLOS場(chǎng)景時(shí)，測(cè)向算法將無(wú)法估計(jì)直達(dá)徑的AOA值，因此需要應(yīng)用有效的NLOS識(shí)別算法剔除連續(xù)定位過(guò)程中的NLOS點(diǎn)，以消除NLOS點(diǎn)對(duì)AOA定位的不利影響。

高計(jì)算復(fù)雜度阻礙了超分辨率測(cè)向算法的應(yīng)用。超分辨角度估計(jì)算法需要利用接收信號(hào)協(xié)方差矩陣做特征分解等復(fù)雜矩陣運(yùn)算，其計(jì)算復(fù)雜度非常大。當(dāng)陣元數(shù)較少，對(duì)實(shí)際環(huán)境中的多徑分辨能力不足時(shí)，常需要結(jié)合信號(hào)的頻域信息進(jìn)行角度－時(shí)延域二維超分辨解算，這使得參數(shù)估計(jì)的運(yùn)算量進(jìn)一步增加。此外，對(duì)于多基站、多終端定位場(chǎng)景，多終端需要實(shí)時(shí)角度估計(jì)，此時(shí)超分辨算法的運(yùn)算量更難以估計(jì)。

1.4 DL-AOD技術(shù)挑戰(zhàn)

DL-AOD技術(shù)主要是利用基站發(fā)送帶有波束的下行 PRS，終端遍歷各個(gè)波束的參考信號(hào)接收功率（reference signal receiving power，RSRP）值以確定最優(yōu)波束，再利用多基站的波束角融合解算位置的方法。當(dāng)基站陣元數(shù)有限時(shí)，波束寬度大，且波束存在一定的抖動(dòng)誤差與步進(jìn)精度限制，這時(shí)基于波束的定位精度很差。在 5G系統(tǒng)演進(jìn)中，基站支持大規(guī)模陣列將是一個(gè)重要的新特性，其實(shí)現(xiàn)的極窄波束寬度具有很強(qiáng)的方向性，可實(shí)現(xiàn)高精度定位。與UL-AOA技術(shù)類似，DL-AOD技術(shù)的定位精度同樣受系統(tǒng)硬件損傷、無(wú)線多徑環(huán)境以及基站部署等因素影響。

2 5G定位仿真平臺(tái)

為了突破5G定位的亞米級(jí)定位精度，亟須解決上述5G定位的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于5G的首要目標(biāo)是無(wú)線通信服務(wù)，其射頻接入技術(shù)的設(shè)計(jì)與更新主要考慮通信性能與成本的權(quán)衡，雖然高精度定位得到了3GPP的關(guān)注，但當(dāng)前5G商業(yè)設(shè)備不會(huì)因?yàn)樵鰪?qiáng)定位能力而做出重大調(diào)整。因此設(shè)計(jì)針對(duì)各類影響因素的補(bǔ)償方法是更可行的途徑。目前在相關(guān)的文獻(xiàn)中已有一些針對(duì)上述制約因素的補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)，并且已經(jīng)通過(guò)仿真器、軟件無(wú)線電以及Wi-Fi等設(shè)備驗(yàn)證了有效性。5G設(shè)備的損傷行為與非標(biāo)準(zhǔn)或非5G設(shè)備不同，一些關(guān)鍵硬件損傷問(wèn)題至今也沒(méi)能有效解決方案。盡管目前有一些先進(jìn)的5G測(cè)試平臺(tái)可以用于驗(yàn)證5G先進(jìn)技術(shù)，但這些平臺(tái)仍然忽略了物理層面的限制問(wèn)題。例如，不同的基站部署方式、應(yīng)用場(chǎng)景以及收發(fā)機(jī)硬件損傷等問(wèn)題。5G標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)研發(fā)仍在演進(jìn)中，為了驗(yàn)證多種 5G應(yīng)用場(chǎng)景下的定位方法性能，使用5G仿真器來(lái)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證定位算法是更合理的選擇。

為了支持與推進(jìn)5G技術(shù)的研發(fā)，在學(xué)術(shù)界或產(chǎn)業(yè)界已有大量公開(kāi)的5G仿真器軟件，然而并沒(méi)有針對(duì)5G設(shè)備硬件損傷細(xì)節(jié)與5G定位信號(hào)模型細(xì)節(jié)的鏈路仿真器，而這些細(xì)節(jié)又是制約 5G定位精度的關(guān)鍵。為此，本文提出了針對(duì)上述影響因素的5G定位鏈路仿真平臺(tái)框架，如圖5所示。該平臺(tái)主要由參數(shù)配置、物理層仿真、無(wú)線信道模型組成。

圖5 5G定位鏈路仿真平臺(tái)框架

2.1 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

鏈路仿真平臺(tái)的基本目標(biāo)是針對(duì) 5G實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)物理層傳輸過(guò)程的細(xì)粒度建模，有效模擬接收到的信道估計(jì)系數(shù)矩陣。進(jìn)而可根據(jù)得到的信道估計(jì)系數(shù)矩陣以及相應(yīng)的細(xì)粒度建模參數(shù)，設(shè)計(jì)與分析5G定位參數(shù)估計(jì)算法。具體可分為如下關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

（1）分析5G設(shè)備的天線相位偏移、波束成形誤差等物理?yè)p傷行為，應(yīng)用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)方法建?；蛘邔?duì)受損傷影響的信號(hào)相位與幅度進(jìn)行測(cè)量與建模，從而構(gòu)建相應(yīng)的硬件損傷模型，使接收端的信道估計(jì)系數(shù)中包含各類硬件損傷行為帶來(lái)的誤差，以解決5G設(shè)備的各類硬件損傷對(duì)參數(shù)估計(jì)算法帶來(lái)的影響問(wèn)題。

（2）設(shè)置支持細(xì)粒度的系統(tǒng)布局參數(shù)，以分析陣列天線構(gòu)型與數(shù)量、基站部署密度以及基線誤差等系統(tǒng)部署因素對(duì)算法的影響。

（3）定位參數(shù)估計(jì)算法對(duì)無(wú)線多徑環(huán)境尤其敏感，傳統(tǒng)鏈路仿真使用的抽頭延遲線或者簇延遲線信道模型不足以模擬復(fù)雜的多徑效應(yīng)，針對(duì)5G系統(tǒng)的復(fù)雜無(wú)線多徑環(huán)境，應(yīng)用最新NR物理層規(guī)范中的幾何統(tǒng)計(jì)信道模型作為仿真平臺(tái)無(wú)線信道的輸入。

（4）對(duì)于5G各類典型室內(nèi)外環(huán)境，可選取其已確定的信道建模參數(shù)，也可針對(duì)額外應(yīng)用場(chǎng)景（如地下車庫(kù)），通過(guò)信道探測(cè)過(guò)程對(duì)該場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)致信道測(cè)量，再經(jīng)過(guò)超分辨算法處理得到該場(chǎng)景下的信道建模參數(shù)，該參數(shù)可調(diào)入平臺(tái)信道模型中用于仿真評(píng)估。

（5）為了支持毫米波頻段測(cè)向功能并遵循NR波束管理標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)分析模擬波束掃描與測(cè)向機(jī)制，設(shè)計(jì)模擬波束掃描與測(cè)向框架，用以支持各類基于波束算法的設(shè)計(jì)與分析。

2.2 新增能力

與用于物理層通信算法分析的仿真器不同，5G定位仿真平臺(tái)新增如下仿真能力。

（1）相比已有的鏈路級(jí)算法仿真器，增加了支持多基站/多用戶傳輸、毫米波傳輸與大規(guī)模陣列、多場(chǎng)景與空間一致性以及上下行雙向傳輸?shù)饶芰Α?/p>

（2）在通信物理層算法仿真時(shí)，通常使用單鏈路單向傳輸?shù)逆溌芳?jí)仿真器，而對(duì)于定位參數(shù)估計(jì)算法，需要通過(guò)支持多基站、多用戶傳輸來(lái)分析多站定位算法、分布式定位、用戶協(xié)同定位等算法性能。

（3）5G體制引入了毫米波頻段，該頻段基于波束成形的測(cè)向方法亦是支持高精度定位的富有潛力的方法，因此仿真平臺(tái)需要支持毫米波頻段傳輸以及大規(guī)模陣列，通過(guò)設(shè)計(jì)的模擬波束成形框架可進(jìn)行毫米波頻段的測(cè)向算法分析。

（4）動(dòng)態(tài)定位方法依賴無(wú)線信道的空間連續(xù)性，建模無(wú)線信道環(huán)境時(shí)需要考慮動(dòng)態(tài)仿真中移動(dòng)軌跡鄰近點(diǎn)的空間一致性以及鄰近用戶間的信道相似性。

（5）為了能分析所有5G定位方法，需要對(duì)支持這些上下行定位方法的所有定位參考信號(hào)進(jìn)行細(xì)粒度建模，可通過(guò)配置資源集的方式區(qū)分不同傳輸鏈路，在信號(hào)解調(diào)時(shí)可通過(guò)參考信號(hào)ID與資源集的時(shí)頻圖案識(shí)別，因此仿真平臺(tái)具體需要支持SRS、PRS、信道狀態(tài)信息參考信號(hào)（channel-stateinformation-reference-signal，CSIRS）、同步信號(hào)塊（synchronization signal block，SSB）這4類定位信號(hào)的傳輸，在建模時(shí)信令機(jī)制嚴(yán)格兼容NR時(shí)間幀格式，以滿足上下行定位仿真需要。

（6）建模的硬件損傷模型也可支持 NR系統(tǒng)的載波頻率范圍，如對(duì)于毫米波頻段可應(yīng)用基于該頻段的硬件損傷模型。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

（1）參數(shù)配置設(shè)計(jì)

參數(shù)配置部分是仿真平臺(tái)的重要組成部分。仿真器需要具備靈活配置、模塊化等特征，并且支持多場(chǎng)景下多基站、多用戶的復(fù)雜系統(tǒng)布局，以及細(xì)粒度的建模需求，仿真平臺(tái)需要極其復(fù)雜的參數(shù)配置過(guò)程，依據(jù)仿真平臺(tái)功能需求具體可分為系統(tǒng)參數(shù)、載波參數(shù)、參考信號(hào)參數(shù)、信道參數(shù)、硬件損傷參數(shù)、波束成形參數(shù)等6個(gè)初始化參數(shù)配置模塊。這些參數(shù)需要既存在默認(rèn)的參數(shù)配置，又可依據(jù)不同仿真需求對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行定制化配置，因此各模塊參數(shù)配置以面向?qū)ο蟮木幊谭绞綄?shí)現(xiàn)。

（2）物理層傳輸建模

該部分旨在模擬定位用信號(hào)從信號(hào)生成到信道參數(shù)估計(jì)的物理層傳輸過(guò)程。為了模擬真實(shí)的物理行為并兼容最新的 NR標(biāo)準(zhǔn)，可將這部分劃分為5個(gè)主要功能模塊，即定位信號(hào)生成、基帶調(diào)制、接收信號(hào)生成、基帶解調(diào)和信道參數(shù)估計(jì)。特別地，下采樣和上下行鏈路載波轉(zhuǎn)換都無(wú)法在數(shù)值軟件中進(jìn)行有效模擬，通常在鏈路仿真器中不被建模，但在載波頻段的一些物理效應(yīng)如相位噪聲仍可以在基帶傳輸中有效模擬。

（3）無(wú)線信道模型

無(wú)線信道建模研究已有20多年的歷史，至今已有很多綜合性的建模方法如幾何統(tǒng)計(jì)信道模型、射線追蹤信道模型等。仿真平臺(tái)使用支持NR標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范（technical specification，TS）38.901中的幾何統(tǒng)計(jì)信道模型，該模型更為有效地模擬了5G典型應(yīng)用的無(wú)線信道環(huán)境。仿真平臺(tái)需要針對(duì)定位算法的輕量化無(wú)線信道模型，因此主要考慮對(duì)參數(shù)估計(jì)算法更為敏感的信道建模功能。此外為了便于算法分析，可定制化輸出詳細(xì)的多徑建模參數(shù)信息。

3 數(shù)值仿真結(jié)果

為了分析5G系統(tǒng)硬件損傷與無(wú)線環(huán)境的特征及其對(duì)參數(shù)估計(jì)的影響，本節(jié)使用構(gòu)建的 5G定位仿真平臺(tái)對(duì)5G UL-AOA定位算法進(jìn)行性能分析。在系統(tǒng)布局設(shè)置中，多個(gè)基站等間距部署在室內(nèi)開(kāi)闊空間，終端位置生成則服從均勻隨機(jī)分布。另假設(shè)基站均配置垂直極化的方向性均勻線陣（uniform linear array，ULA）并統(tǒng)一朝向，終端則配置全向單天線。UL-AOA定位仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 UL-AOA定位仿真參數(shù)設(shè)置

天線相位偏移是影響測(cè)向算法精度的首要因素，這里首先給出針對(duì)天線相位偏移的測(cè)試結(jié)果。天線相位偏移測(cè)試與仿真結(jié)果如圖6所示。圖6（a）為基站某兩個(gè)天線間的相位偏移誤差，可見(jiàn)在隨著入射角變化時(shí)，相位偏移呈現(xiàn)不規(guī)律波動(dòng)，這種誤差對(duì)于陣元數(shù)受限下的測(cè)向精度影響非常大。圖6（b）是通過(guò)實(shí)測(cè)與仿真分析天線相位偏移誤差對(duì)角度估計(jì)精度的影響，可見(jiàn)在天線相位偏移誤差的影響下，角度估計(jì)誤差明顯增大，入射角在大角度區(qū)間時(shí)角度估計(jì)誤差已達(dá)10°。

圖6 天線相位偏移測(cè)試與仿真結(jié)果

存在強(qiáng)反射徑且直達(dá)徑入射角為0°時(shí)的角度估計(jì)譜如圖7所示，強(qiáng)反射徑與直達(dá)徑時(shí)延過(guò)近，無(wú)法應(yīng)用超分辨算法區(qū)分，進(jìn)而和信號(hào)改變了直達(dá)徑的相位關(guān)系，形成了角度偏移以及緩峰現(xiàn)象。

圖7 存在強(qiáng)反射徑且直達(dá)徑入射角為0°時(shí)的角度估計(jì)譜

不同損傷模型下定位誤差曲線對(duì)比如圖8所示，存在損傷模型時(shí)，定位CDF曲線明顯向下偏離，定位精度也明顯變差，而無(wú)典型損傷模型下的定位精度可達(dá) 67%亞米級(jí)，該現(xiàn)象表明如果能夠?qū)@些損傷進(jìn)行有效補(bǔ)償，則UL-AOA定位技術(shù)是具備高精度定位部署潛力的。圖8中CDF曲線最終穩(wěn)定在 80%左右且無(wú)損傷時(shí)并沒(méi)有穩(wěn)定的高精度定位結(jié)果，是因?yàn)榛九渲昧朔较蛐蕴炀€陣列，在當(dāng)前的部署場(chǎng)景下存在一定的覆蓋盲區(qū)；另算法假設(shè)基站與終端同高，入射角被近似為方位角，則必定存在位置解算誤差，且當(dāng)終端靠近基站時(shí)，誤差更為明顯。這種現(xiàn)象則可通過(guò)優(yōu)化基站布局、基站天線陣列選型以及定位算法來(lái)有效提升定位精度。

圖8 不同損傷模型下定位誤差曲線對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在梳理5G標(biāo)準(zhǔn)定位技術(shù)演進(jìn)路線的基礎(chǔ)上分析了各類定位方法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)亞米級(jí)定位精度所面臨的挑戰(zhàn)，盡管終端定位服務(wù)一直是移動(dòng)通信網(wǎng)的基本功能，但是相比于4G及之前的定位服務(wù)，5G網(wǎng)絡(luò)不但引入了全新的定位方法，而且定位精度指標(biāo)提升了 1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。從確立標(biāo)準(zhǔn)到產(chǎn)業(yè)化落地，需要經(jīng)歷技術(shù)研究、設(shè)備研發(fā)、部署測(cè)試、示范應(yīng)用等多個(gè)階段，尤其是新引入的測(cè)向定位方法在5G網(wǎng)絡(luò)中能否實(shí)現(xiàn)更高的定位精度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。針對(duì)5G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位的強(qiáng)烈需求，本文重點(diǎn)分析了當(dāng)前5G定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度定位的潛力與面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。另外，為了有效支持分析與設(shè)計(jì) 5G定位算法，提出了5G定位專用仿真平臺(tái)框架，基于該平臺(tái)可模擬5G系統(tǒng)硬件損傷、無(wú)線環(huán)境等因素對(duì)參數(shù)估計(jì)算法的影響，并可以此設(shè)計(jì)有效的補(bǔ)償方法，加速5G定位算法突破亞米級(jí)定位精度。