5G高低頻信號定位精度分析

全一明，陳世安，劉廣印，唐旭

( 1. 寧波市天一測繪設計研究有限公司, 浙江 寧波 315100；2. 南京信息工業(yè)大學 遙感與測繪工程學院, 南京 210044 )

0 引 言

如今基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)載波相位差分的實時動態(tài)(RTK)和網(wǎng)絡RTK等技術(shù)具有精度高、測量時間短等諸多優(yōu)點，已被廣泛應用于測繪、導航等諸多領(lǐng)域. 然而該技術(shù)通常受限于戶外開闊環(huán)境，在沒有衛(wèi)星信號的室內(nèi)或城市峽谷地區(qū)等困難環(huán)境，定位質(zhì)量下降較大[1-2]. 隨著第五代移動通信技術(shù)(5G)的日趨成熟和快速推廣，5G相關(guān)的協(xié)議(3GPP Rel16)已在2020年6月凍結(jié)，其中，TS 38.455 NRPPa[3]協(xié)議定義了相關(guān)的定位技術(shù)，支持更高定位精度的Rel17也將在2022年凍結(jié).

一些5G通信設備制造商已經(jīng)推出了基于5G的定位特性，如增強小區(qū) (E-CID) 定位，其精度相對較低(幾十米至幾百米). 后續(xù)更高精度的5G定位技術(shù)，如基于到達時間差(TDOA)和往返時間(RTT)的定位技術(shù)將會在未來幾年內(nèi)逐步商用. 從系統(tǒng)架構(gòu)層面看，5G定位技術(shù)的實現(xiàn)類似4G LTE定位，均使用定位服務器收集上行或者下行信號來計算終端的位置信息. 但5G定位在硬件、空口信號結(jié)構(gòu)和測量信號上和4G相比又有如下區(qū)別：1) 5G的大規(guī)模天線陣列(MIMO)作為長期演進(LTE) MIMO技術(shù)的延伸，利用多重信號分類(MUSIC)算法[4-5]或者旋轉(zhuǎn)不變子空間方法(ESPRIT)算法[6]，上行探測參考信號(SRS)可以提供更高精度的到達時間(TOA)和到達角度(AOA)測量；2) 5G下行的新定位參考信號(PRS)具有更大的帶寬，可以提供更精確的TOA測量；3)相對于5G FR1(410～7 125 MHz，下文簡稱低頻)，F(xiàn)R2(24 250～52 600 MHz，下文簡稱高頻)毫米波信號可以提供100～800 MHz更大的信道帶寬，極大地提升了上下行信號的TOA測量精度.

一些研究預測5G可以緩解GNSS在城市峽谷定位精度下降、覆蓋不足的問題. 類似4G LTE，基于5G的A-GNSS可以根據(jù)用戶終端當前所在的通信小區(qū)，將GNSS星歷等輔助信息通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給用戶終端[7]. 此外，5G高密集度的組網(wǎng)、超低的時延也為提高室內(nèi)外定位精度提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)[8]. 彭友志等[9]通過仿真論證了5G/GNSS融合系統(tǒng)的水平在多徑環(huán)境下可以達到亞米級精度. 文獻[10]預測5G高頻可以達到小于10 cm的定位誤差.

基于5G新空口(NR)相關(guān)的已凍結(jié)的3GPP協(xié)議，下文將評估5G低頻和高頻信號測距精度，再介紹5G定位域算法，然后仿真高頻和低頻兩個場景下的定位結(jié)果，最后總結(jié)相關(guān)技術(shù)難點和發(fā)展趨勢.

1 5G信號測距精度評估

5G在空口物理層采用正交頻分復用(OFDM)技術(shù)，支持更大的帶寬，低頻支持5～100 MHz信道帶寬，高頻支持50～400 MHz信道帶寬[11]. 如圖1所示，信道帶寬包含傳輸帶寬配置和保護帶，在傳輸帶寬配置范圍內(nèi)，用戶端在激活的資源塊(RB)上傳輸定位參考信號. RB是上下行業(yè)務信道可調(diào)度的最小物理資源單位，在頻域上由12個連續(xù)的子載波組成，實際調(diào)度給用戶的RB數(shù)隨信道帶寬、業(yè)務量、同一時間的用戶數(shù)、信道條件等諸多因素影響而變化. 與4G LTE固定15 kHz的子載波間隔(SCS)相比，5G通過參數(shù)集配置支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz的SCS[11]. 上述參數(shù)配置決定了5G上下行定位參考信號的測距精度.

圖 1 信道帶寬、傳輸帶寬配置和資源塊的關(guān)系

對于已知信號帶寬和信噪比(SNR)的5G定位參考信號，可使用克拉美羅界(推導可見文獻[12]).計算對于單個用戶的測距精度為

式中： σ2為測距精度方差； C RB 為克拉美羅界；c為光速；B為定位信號帶寬； S NR 為信號信噪比.

根據(jù)5G協(xié)議3GPP TS38.101和TS38.211中的定義[11，13]，對于5G低頻信號，信道帶寬50 MHz，SCS取15 kHz，固定按最小粒度調(diào)度4 RB來計算，則PRS或SRS所在的每個RB的帶寬為180 kHz. 同樣地，根據(jù)信道帶寬100 MHz的低頻30 kHz SCS以及5G高頻400 MHz下配置的60 kHz和120 kHz的SCS，在AWGN信道條件下可得到5G上下行測距精度與SNR的關(guān)系如圖2所示.

由圖2可知，得益于參考信號帶寬的提升，5G高頻定位的測距精度相對于低頻有顯著的提升. 如在20 dB SNR條件下，低頻配置15 kHz SCS時的測距精度為1.17 m，而當5G高頻配置的120 kHz SCS時測距精度可達到0.15 m.

圖 2 5G信號測距精度與SNR的關(guān)系

2 5G定位算法

獲取基站和終端間精確時延測量后就可以解算用戶終端所在的位置. 由于實際用戶與基站網(wǎng)絡的時鐘并不是精確同步的，計算時一般采用TDOA作為測量，來消去用戶端的鐘差. 常用的定位域算法包括FANG算法[14]和最小二乘算法. FANG算法主要基于求解多條幾何雙曲線/面的交點，對于二維的位置解算相對簡單，三維定位較為復雜. 基于最小二乘的遞歸算法支持二維和三維的定位解算，本文后續(xù)的仿真也選擇基于最小二乘算法，其方法和步驟簡述如下：

1)首先選擇任意點作為初始值或者上一次迭代解算的結(jié)果坐標x

式中：c為光速；t0為用戶端的鐘差.

2)計算

式中：[xbsn,ybsn,zbsn]為第n個 站的坐標；dn為當前估算坐標x至第n個站的歐式距離，并根據(jù)估算的坐標計算殘差v

其中

式中，dn和dTDOA,n分別為估算坐標至第n個站的歐式距離和該站相對于差分站的TDOA測量.

3)計算修正量dx

4)將x修正為x+ dx并重復上述1)～4)步直到x收斂.

3 典型場景定位精度仿真分析

定位仿真場景配置如表1所示，表中的參數(shù)配置參照了3GPP協(xié)議以及當前5G商用網(wǎng)絡所支持的典型參數(shù)，以便比較和計算5G定位可達到的最優(yōu)性能.對于高頻的室內(nèi)微站，實現(xiàn)完美的時間同步在當前來看可能仍存在較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，而低頻的室外桿站和宏站則由于所屬不同的小區(qū)或氣溫變化等原因，時間同步難度更高，因此場景1、2、3、4配置了50 ns時間同步精度.

表 1 5G定位仿真場景參數(shù)配置

如同GNSS定位中可見衛(wèi)星數(shù)及其幾何分布對定位精度的影響，5G網(wǎng)絡的站點數(shù)量及分布和用戶端的定位誤差也可能存在密切關(guān)系. 因此，在場景3、4中增加站點數(shù)量至6個，且為六邊形蜂窩狀分布.

場景5、6、7、8用于對比高低頻不用帶寬的參數(shù)配置對定位精度的影響. 場景7、9、10、11用于評估在實現(xiàn)完美時間同步的條件下，站點數(shù)量與定位精度的關(guān)系，站點的分布如圖3所示. 需要注意的是，實際場景的配置和本文中的仿真配置可能存在區(qū)別，比如現(xiàn)網(wǎng)的站點分布可能并非正多邊形.

根據(jù)仿真結(jié)果圖4所示，在50 ns的時間同步精度、用戶端接入4個站點條件下，5G低頻水平精度約為15 m，此時不同帶寬配置對定位精度的提升并不顯著，而增加2個站點可將水平定位精度提升至約13 m. 圖5的結(jié)果顯示，在完美的時間同步條件下，5G低頻15 kHz和30 kHz SCS的水平定位精度可以分別達到1.22 m和0.63 m(1σ)，高頻60 kHz和120 kHz SCS的定位精度約為0.32 m和0.16 m(1σ).

圖 3 測試場景的站點分布

圖 4 5G低頻在50 ns同步精度下的定位仿真結(jié)果

圖 5 5G高低頻在完美時間同步條件下的定位仿真結(jié)果

由此可見，站間時間同步精度是目前影響5G定位質(zhì)量的重要因素. 如果在技術(shù)上可以實現(xiàn)完美的時間同步，或者通過在用戶端附近增加定位節(jié)點以雙差的方式消除站間時間同步誤差，那么5G定位理論上在開闊的環(huán)境可以達到分米級的水平精度，此時提升定位信號的傳輸帶寬可以顯著提升定位精度. 精確的時間同步對于5G高頻的室內(nèi)微站(所有站點連接同一塊基帶處理板)是有可能實現(xiàn)的，但對于室外的桿站和宏站，實際環(huán)境由于信號多徑、遮擋等諸多原因，其定位精度很可能無法達到亞米級.

類似GNSS定位中可見衛(wèi)星數(shù)及其分布對定位精度的影響，仿真結(jié)果表明：5G網(wǎng)絡的站點數(shù)量和用戶端的定位誤差也存在密切關(guān)系. 圖6的仿真結(jié)果顯示，在實現(xiàn)了完美時間同步的條件下，增加站點數(shù)量可以進一步提升5G高頻定位精度. 當站點數(shù)量從4個增加到7個，水平定位精度從0.31 m提高至0.24 m.

圖 6 站點數(shù)量對5G高頻定位精度的影響

4 結(jié)束語

本文根據(jù)5G NR 3GPP相關(guān)的協(xié)議及相關(guān)定位特性的規(guī)劃，描述了5G定位和4G LTE定位特性的區(qū)別，評估了5G高低頻信號的測距精度，介紹了相關(guān)的定位算法，并基于3GPP協(xié)議和典型商用網(wǎng)絡配置的典型參數(shù)對5G定位質(zhì)量進行了仿真評估. 評估結(jié)果表明：參考信號帶寬的提升可以顯著提高5G高頻定位的測距精度. 仿真結(jié)果表明：站間時間同步誤差是影響5G定位精度的最主要因素之一，當站間時間同步誤差為50 ns時，定位精度約15 m. 在消除時間同步誤差的前提下，提升參考信號的傳輸帶寬可以顯著提升定位精度. 在完美時間同步、無多徑等理想條件下，5G低頻水平定位精度可以達到0.63 m，高頻水平定位精度最高可以達到0.16 m. 此外，增加站點對用戶端的定位精度也有一定程度的提升.

3GPP的協(xié)議中定義了5G高精度定位業(yè)務等級和相應需求[15]. 本文實驗結(jié)果表明：通過完美時間同步或者增設定位節(jié)點作雙差來消除站間時間同步誤差后，5G低頻定位有望滿足3級定位業(yè)務需求(1 m精度)，5G高頻100 MHz帶寬的毫米波定位精度可以滿足6級定位業(yè)務需求(0.3 m精度).

目前支持更高精度定位的3GPP R17協(xié)議尚未凍結(jié)，支持高精度定位的5G高頻基站在國內(nèi)尚未廣泛商用，因此本文的仿真評估結(jié)果是基于當前協(xié)議架構(gòu)支持的參數(shù)配置的理論最優(yōu)值，反應了5G定位質(zhì)量的上限. 在實際環(huán)境中，最終的定位質(zhì)量可能會受到基站接入用戶數(shù)、上行功率控制以及信號的同頻干擾、多徑、遮擋等諸多因素的影響. 在R17協(xié)議凍結(jié)和相關(guān)的定位特性落地后，未來的研究工作可在實際場景中評估上述因素對定位精度的影響.