基于5G NR的智能鐵路定位技術(shù)研究

李 輝，方榮一，于 哲，任 斌，孫韶輝

（1. 中信科移動通信技術(shù)股份有限公司 創(chuàng)新中心，北京 100083；2. 電信科學技術(shù)研究院有限公司 無線移動通信國家重點實驗室，北京 100083；3. 電信科學技術(shù)研究院有限公司 新一代移動通信無線網(wǎng)絡(luò)與芯片技術(shù)國家工程實驗室，北京 100083）

隨著第5代移動通信技術(shù)（5G，5th Generation Mobile Communication Technology）標準的推進和實施，5G設(shè)備與應用場景日漸成熟。由于鐵路網(wǎng)規(guī)模的擴大、安全保障的需要和業(yè)務(wù)需求的增長，亟需將5G應用于智能鐵路的研究中 ，促進鐵路通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展[1]。智能鐵路定位已在綜合運營管理、列車運行自動控制、電子付費、緊急救援及安全監(jiān)控等方面取得了很多成果。文獻[2]基于5G通信的列車控制系統(tǒng)，在城市軌道交通中實現(xiàn)了列車喚醒、休眠、自動進出段、自動洗車等全自動運行功能；文獻[3]通過對5G車地通信技術(shù)的研究，實現(xiàn)列車運行控制及自動駕駛，保障鐵路安全、可靠及高效運營。

基于5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)（RAT-dependent）的定位技術(shù)包括[4]：下行到達時間差（DL-TDOA，Downlink Time Difference of Arrival）定位法、上行到達時間差（UL-TDOA，Uplink Time Difference of Arrival）定位法、多小區(qū)往返時間（Multi-RTT，Multiple Round Trip Time）、下 行 出 發(fā) 角（DL-AOD，Downlink Angle of Departure）、上 行 到 達 角（UL-AOA，Uplink Angle of Arrival）和增強小區(qū)標識（E-CID，Enhanced Cell ID）定位法等。第3代合作伙伴計劃（3GPP，3rd Generation Partnership Project）技術(shù)規(guī)范第17版進一步規(guī)范了多種定位增強技術(shù)[5-6]，包括收發(fā)時間誤差影響消除、非視距和多徑的識別及影響消除、UL-AOA定位增強、DL-AOD定位增強、降低定位延遲、按需求分配的定位參考信號（PRS，Positioning Reference Signal）等，為定位性能的提升提供了保障。

本文分析智能鐵路的定位需求，結(jié)合基于正交頻分復用技術(shù)的全新空口設(shè)計的全球性第5代移動通信技術(shù)標準（簡稱：5G 新空口）（5G NR）定位技術(shù)，選用TDOA方法，設(shè)計了上行和下行定位方案，解決了智能鐵路低速場景定位問題，同時針對高速和隧道場景給出了潛在的信號增強方案。

1 智能鐵路中的定位需求分析

1.1 定位精度要求

文獻[7]中對高速鐵路場景的定位精度要求如表1所示，其中的定位精度為絕對精度（以累計概率密度90%點的定位誤差衡量）。由于列車較快的移動速度會產(chǎn)生較強的多普勒效應，因此定位精度要求隨列車速度的提升而降低。

表1 高速鐵路場景定位精度要求

1.2 應用場景

智能鐵路中的定位分為低速和高速場景，且均包含無全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）信號的隧道環(huán)境。

（1）低速定位場景。包括：①養(yǎng)護維護時上道人員、下道人員的清點，如鐵路線路養(yǎng)護和設(shè)備故障處理時天窗作業(yè)人員的高精度定位；②貨運場站內(nèi)人員、設(shè)備、貨物等空間定位，如貨車沿途停靠時向地面設(shè)備傳遞貨車狀態(tài)信息；③鐵路隧道中工作人員的定位場景，如鐵路建設(shè)時期，通過自組網(wǎng)設(shè)備實時掌握施工作業(yè)人員的位置分布。

（2）高速定位場景。包括：①車載設(shè)備向地面設(shè)備發(fā)送位置信息；②地面設(shè)備將位置信息發(fā)送至車載設(shè)備；③鐵路貨物在途運輸中的空間定位等。

1.3 部署場景

文獻[8]中定義了高速鐵路定位的部署場景，其布局如圖1所示。其中，軌道寬度為3.38 m，間隔6 m，在鐵路兩旁100 m處引入了沿軌道分布具有波束賦形能力的遠端射頻單元（RRH， Remote Radio Head），每3個RRH連接到同一個基帶處理單元（BBU，Base Band Unit），各RRH間隔1 732 m。

圖1 高速鐵路定位部署場景

2 智能鐵路中的定位技術(shù)原理

智能鐵路定位對列車的高度位置需求不高，因此只需考慮水平定位。TDOA是一種基于信號傳播時間差以確定終端位置的估計方法。終端位于以基站為焦點的雙曲線上，2條雙曲線的交點確定終端的二維位置坐標。二維情形中的TDOA定位原理如圖2所示，在測得多個TDOA值后，建立方程為

圖2 二維情形中的TDOA定位原理

其中， (x,y)為 終端的待定坐標； (xi,yi)為第i個基站的坐標；di為 終端到第i個基站的距離；di,1為終端到第i個基站的距離與終端到第1個基站距離之差；c為電磁波的傳播速度；τi,1為所測得的終端到達基站i與到達基站1的TDOA測量值。

以第i個基站（i=2，···，N）和第1個基站為焦點的雙曲線的交點即是終端的位置坐標，根據(jù)公式（1）和（2）建立方程組

求解方程組（3）即可得到終端的估計位置。TDOA定位方法適用于信號在視距傳播的情況。此外，若只有3個基站用作定位，可能會出現(xiàn)終端的虛假位置，需要其他先驗信息（如軌道線路圖）或使用4個基站解算終端位置坐標[9]。

3 智能鐵路中的定位技術(shù)

由于6 GHz以上頻段的載波信號頻率高，信號衰減大，定位系統(tǒng)的覆蓋受限，考慮到鐵路軌道周圍基站的覆蓋范圍，針對智能鐵路場景部署的蜂窩系統(tǒng)工作頻段主要為6 GHz以下的低頻段。當前的5G NR定位系統(tǒng)的第一頻率范圍場景可以滿足智能鐵路低速場景下的定位需求。在進行位置解算時，考慮到列車運行軌道固定，可以進一步約束水平運行方向位置的取值，確定位置信息。

3.1 下行定位

3.1.1 下行定位參考信號

在下行定位技術(shù)中，終端通過接收和測量各基站發(fā)送的下行PRS獲得定位測量值。對于智能鐵路系統(tǒng)，圖1每個基站可配置一個下行PRS資源集，其中包含2個下行PRS資源，每個資源分別對應一個發(fā)送波束方向（覆蓋列車軌道）。此資源集以周期性方式傳輸，可根據(jù)定位時延及參考信號占用的資源來配置PRS資源集的傳輸周期。5G NR定位系統(tǒng)中，PRS傳輸周期最小可以配置為4 ms，最長可配置為10 240 ms。

在5G NR定位系統(tǒng)中，一個PRS資源可以占用{2，4，6，12}個連續(xù)的正交頻分復用（OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing）符號，一個PRS資源包含的OFDM符號個數(shù)越多，用戶終端（UE，User Equipment）在接收端進行相干合并可累積的處理后信噪比越大，測量性能越好，但資源占用越大。一個PRS資源在頻域上最大可占用272個物理資源塊（PRB，Physical Resource Block）并且以梳齒的方式支持多個不同的下行PRS資源在不同的子載波上復用，例如，梳齒取值為2，表示每兩個子載波占用一個子載波資源。PRS資源占用的頻域帶寬越大，時域分辨率越高，可以獲得更高的定位精度，支持的梳齒取值包括2/4/6/12，表示在頻域上間隔2/4/6/12個子載波?？紤]到智能鐵路精確定位的需求，可以配置較高密度的PRS資源圖樣和較大的PRS帶寬。例如，可配置一個占用6個OFDM符號，梳齒取值為6的PRS資源，資源圖樣如圖3所示。其中，橫軸為時域的OFDM符號，縱軸為頻域的子載波。

圖3 符號個數(shù)為6、梳齒取值為6的PRS圖樣

3.1.2 下行定位測量值

對于DL-TDOA技術(shù)，終端通過測量多個基站的PRS資源，獲得參考信號的時間差（RSTD，Reference Signal Time Difference）[10]。RSTD定 義 為終端接收到測量基站和參考基站子幀的開始時刻的時間差。終端接收到的參考基站的子幀開始時刻定義為RSTD參考時間，參考基站可以由網(wǎng)絡(luò)側(cè)配置，也可以由終端根據(jù)測量質(zhì)量等特性自行選擇一個PRS資源確定RSTD的參考時間。

為了使網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠在上報的測量值中選擇更好的測量值用于定位計算，終端可以指示每個測量值的測量質(zhì)量。測量質(zhì)量包括：①誤差取值：指示測量值不確定性的最優(yōu)估計值；②誤差分辨率：指示誤差取值的量化步長。

在智能鐵路場景中，終端可對每個基站上報一個或多個RSTD測量值[6]及測量質(zhì)量，并確定RSTD相關(guān)聯(lián)的時間戳，指示此次上報測量值的有效時間。

3.1.3 下行定位流程

對于智能鐵路場景下的終端輔助定位，終端的位置信息可由定位服務(wù)器（LMF，Location Management Function）根據(jù)終端上報的測量值解算獲得。終端與LMF之間的信令交互具體流程如圖4所示[11]。

圖4 智能鐵路場景下的下行定位流程

（1）每個基站將 PRS 配置通知給 LMF；

（2）LMF請求終端上報TDOA的相關(guān)測量值；

（3）終端向LMF請求輔助定位數(shù)據(jù)；

（4）LMF為終端指示相應的定位輔助數(shù)據(jù)；

（5）每個基站發(fā)送 PRS給終端；

（6）終端確定定位測量值；

（7）終端將定位測量值上報給LMF，LMF根據(jù)定位測量值確定終端位置。

為了減少定位時延，智能鐵路場景也可采用終端自主定位，即終端的位置信息由終端根據(jù)測量值解算獲得。此時，步驟（4）中的定位輔助數(shù)據(jù)還必須提供基站的位置信息用于終端進行位置解算，步驟（7）中終端可直接上報位置解算結(jié)果。

3.2 上行定位

3.2.1 上行定位參考信號

在5G NR定位系統(tǒng)中使用定位專用上行探測參考 信 號（SRS-Pos，Sounding Reference Signal for Positioning）進行上行定位 。一個SRS-Pos資源在時域上可以占用{1，2，4，8，12}個連續(xù)的OFDM符號，在頻域上最大支持帶寬為272個PRB。與下行類似，對于工作頻點在6 GHz以下的智能鐵路系統(tǒng)，每個終端可以配置一個SRS資源集，每個SRS資源集包含一個SRS-Pos資源。為了提升SRS-Pos信號的覆蓋范圍與鄰基站的接收質(zhì)量，在智能鐵路場景下，可以配置SRS-Pos占用較多的OFDM符號。根據(jù)定位精度的需求，可以配置最大的頻域帶寬。

SRS-Pos采用了一種交錯圖樣的設(shè)計來映射同一個SRS-Pos資源內(nèi)的不同OFDM符號上的SRS-Pos資源單元。該交錯圖樣的具體配置與SRS-Pos資源被配置的梳齒取值及其占用的OFDM符號數(shù)量有關(guān)。OFDM符號數(shù)為12，梳齒取值為8的SRS-Pos資源圖樣如圖5所示。

圖5 符號個數(shù)為12、梳齒取值為8的SRS-Pos圖樣

在智能鐵路系統(tǒng)中，可以根據(jù)應用場景需求配置周期或非周期的SRS-Pos資源。例如，為了支持按需定位場景，僅當需要定位服務(wù)時才發(fā)送定位用SRS-Pos，此時可以使用非周期SRS-Pos資源。

終端上行發(fā)送定時通過定時提前（TA，Timing Advance）調(diào)整來控制，以確保小區(qū)中的所有上行傳輸?shù)竭_基站時保持對齊。對于SRS-Pos，需基于服務(wù)小區(qū)進行TA計算。

3.2.2 上行定位測量值

對于UL-TDOA技術(shù)，每個基站測量相對到達時間（RTOA，Relative Time of Arrival），即基站接收到的包含SRS的子幀開始時間與絕對系統(tǒng)幀號的相對時間[10]。

在智能鐵路場景中，每個基站通過對SRS-Pos的測量，可以獲得1個或2個RTOA測量值[6]及測量質(zhì)量，并確定此RTOA相關(guān)聯(lián)的時間戳，指示此次上報測量值的有效時間。

3.2.3 上行定位流程

與下行定位不同，終端的位置信息由LMF根據(jù)基站上報的測量值解算獲得。為了獲得上行測量值，參與定位的基站需要已知終端發(fā)送的SRS-Pos信號。因此，LMF需要向終端的服務(wù)基站指示，要求終端傳輸SRS-Pos信號。此信號的時頻資源分配由服務(wù)基站自行確定，并將此配置信息反饋給LMF，由其轉(zhuǎn)發(fā)配置給多個基站，具體流程如圖6所示[11]。

圖6 智能鐵路場景下的上行定位流程

（1）LMF向服務(wù)基站發(fā)送定位請求信令，請求服務(wù)基站上報目標終端的上行SRS-Pos配置信息；

（2）服務(wù)基站確定上行SRS-Pos資源分配；

（3）服務(wù)基站為目標終端配置上行SRS資源集合；

（4）服務(wù)基站通過定位請求響應信令向LMF上報上行SRS-Pos的配置信息；

（5）服務(wù)基站激活終端傳輸上行SRS-Pos；

（6）LMF通過測量請求信令向選定的多個基站發(fā)送上行SRS-Pos配置信息，包括目標終端的服務(wù)小區(qū)ID、SRS-Pos的資源配置、上行定時信息等；

（7）目標終端根據(jù)上行SRS-Pos資源配置傳輸上行SRS-Pos，其時域行為由基站配置；

（8）每個基站測量目標終端傳輸?shù)纳闲蠸RSPos，并將測量結(jié)果上報給LMF，LMF根據(jù)定位測量值確定終端位置。

4 智能鐵路的潛在定位增強技術(shù)

4.1 高速場景下的增強

在列車高速移動場景下，上行和下行參考信號的多普勒頻移增加，接收端測量的RSTD及RTOA的精度下降，進而影響定位精度[12]。為了滿足定位精度需求，在后續(xù)研究中，可考慮在接收端設(shè)計高級的接收機算法，或考慮改變定位參考信號的傳輸方式，如利用單頻網(wǎng)或多普勒頻移預補償?shù)膫鬏敺绞?，改善定位精度?/p>

4.2 隧道場景下的增強

文獻[13]中提出了基于5G信號的載波相位定位方案。

以上行定位為例，基于5G信號的載波相位定位流程如圖7所示。對于絕對定位，假設(shè)參考發(fā)射機的位置是已知的；對于相對定位，參考發(fā)射機的位置可作為定位坐標系的原點。具體流程為：（1）參考發(fā)射機和待定位的UE發(fā)送各自所配置的SRS-Pos信號；（2）各個基站接收 SRS-Pos 以提供 TDOA和載波相位測量值；（3）利用TDOA測量值，通過UL-TDOA求得UE的初始位置；（4）利用擴展卡爾曼濾波器（EKF，Extended Kalman Filter）進行UE位置以及載波相位整數(shù)模糊度的估計；（5）將EKF的估計結(jié)果用于整數(shù)模糊度的搜索和解算；（6）校正和去除原始載波相位測量中的整數(shù)模糊度，進行高精度UE定位。與GNSS載波相位定位類似，基于5G信號的載波相位定位精度也可達到厘米級。

圖7 基于5G信號的載波相位定位流程

5G定位方法（包括基于5G NR信號的載波相位定位）還可與其他方法（慣性導航和列車軌道圖等）相結(jié)合，為隧道場景提供高精度、高可靠性的定位信息。當列車未能接收到GNSS信號，或GNSS信號不強而無法高精度確定列車的絕對位置時，通過結(jié)合基站PRS的測量值和其他定位傳感器所提供的測量值（如慣性傳感器輸出的姿態(tài)、速度和位置），可高精度地進行列車定位。運營商可根據(jù)需要，在GNSS無法提供高精度定位信息的環(huán)境下，調(diào)整發(fā)送PRS的發(fā)送端數(shù)量、位置、發(fā)射頻率、發(fā)射功率等，以保證列車導航定位系統(tǒng)性能。

5 結(jié)束語

本文通過分析智能鐵路場景定位精度需求，結(jié)合5G NR定位技術(shù)，提出了智能鐵路低速場景下的上行和下行定位解決方案。基于DL-TDOA技術(shù)和UL-TDOA技術(shù)，通過時間測量值確定終端的位置信息，既可用于缺少衛(wèi)星信號覆蓋的隧道、涵洞等場景，也可與衛(wèi)星定位相結(jié)合，進一步提升定位精度。