无线电定位基于 4 种物理方式,包括信号扩展,基于时间,基于角度,基于频率。主要资源包括带宽,天线元素,频率精度和信噪比。


Wifi 的 RSSI 定位方法在复杂的多径环境下,测距定位性能急剧下降,误差可达十几米;FTM 测距精度与带宽相关,但是没有利用多天线,其抗多径能力仍然受限。受制于较低的瞬时带宽以及 2.4G 频段信号拥挤造成的干扰,蓝牙测向定位精度有限。UWB 带宽大于 500MHz,抗多径和抗干扰能力强,功耗低,利用超窄脉冲可实现厘米级的精确室内定位。UWB 标签虽然已经可以做到小型化,但目前没有集成到智能手机,所以待定位目标需要单独配备 UWB 标签。UWB 技术通常用于特定行业,其基站在人流密集的城市和室内环境下覆盖率很低。

 

 

自 2016 年起,3GPP 在 R13、R14 版本持续开展针对 3G 和 4G 室内定位技术增强的研究,增强了 RAT(RadioTechnology,无线电技术)定位方法,完善了非 RAT 的室内定位方法等。在 R14 标准版本的定位增强技术包括以下几方面: 

 

(1)共享 PCI(Physical Cell Identifier,物理小区标识)场景下的 OTDOA(Observed Time Differenceof Arrival,观察到达时间差)增强。R14 中,终端能够区分共享 PCI 场景下的不同传输节点,增加了终端侧可进行定位测量节点的个数,从而提高了定位精确度。


(2)基于定位参考信号的信标 R14 引入了只传输定位参考信号的传输节点,该特性使得终端能够识别额外的定位参考信号,从而提高了定位精确度。


(3)定位参考信号结合 CRS(Cell ReferenceSignal,小区参考信号)进行测量终端能够结合定位参考信号和小区参考信号,获得 RSTD(Reference Signal Time Difference,参考信号时间差测量),从而改善 OTDOA 精确度。


(4)多径下的 TOA(Time of Arrival,到达时间)R14 中,终端可以将多条路径下的 TOA 上报给网络侧,网络侧可以利用该信息,补偿由于多径衰落导致的测量误差,从而提高了定位精确度。 2019 年 6 月,3GPP 的 Rel.15 版 TR38.885 对于定位的描述为:一般用户,80%的情况下水平定位精度不低于 50 米,垂直精度 5 米,端到端延迟低于 30 秒,对商业用户为水平定位精度,室内不低于 3 米,室外不低于 10 米,垂直精度不低于 3 米。端到端延迟低于 1 秒。Rel.16 版计划做到商业用户室外最低 3 米的定位精度,端到端延迟低于 1 秒。本来预计到今年 3 月底发布,但疫情打乱了日程,估计到 9 月底才能完成 R16 版。17 版计划做到亚米级定位,端到端延迟低于 100 毫秒,预计 2021 年底发布。R16 版也支持日本的 QZSS 的 SSR 信息,可以接受,但是需要特别的解码器

 

PRS(positioningreference signal 位置参考信号)SRS(sounding reference signal 探测参考信号)LPP(LTE Positioning Protocol LTE 定位协议)


基于用户(UE)的位置测量报告包括如下


•Downlink reference signal referencepower (下行参考信号电平值 DL RSRP) per beam/gNB
•Downlink reference signal timedifference (下行参考信号时间差 DLRSTD)
•UE RX-TX time difference 用户接收发射时间差
基于 gNB- 的位置测量报告
• Uplink angle-of-arrival (上行到达角 UL-AoA)• Uplink reference-signal receive power (上行参考信号电平值 UL-RSRP)• UL relative time of arrival (上行链路相对到达时间 UL-RTOA)• gNB RX-TX time difference 5G 在定位方面,有 5 大优势,一是高载波频率。

 

 

二是高带宽。

 


三是天线数量极多。

 


四是 D2D 直接通讯。

 

 

 

 

五是网络密度很高。

 


这 5 大优势最终变为 UL-RTOA 和 UL-AoA。TDOA(TimeDifference of Arrival,信号到达时间差)和 AOA(Angle of Arrival,到达角度测距)是两种基础的无线定位技术。

 

从理论上分析,一方面,5G 采用高频或者毫米波通信,毫米波通信具有非常好的方向性,可以实现更高精度的测距和测角;另外一方面,5G 采用大规模天线技术,具有更高分辨率的波束,也可以实现更高精度的测距和测角特性。因此,基于 AOA 的定位方法将比 4G 具有更高的精度。此外,由于 5G 采用了低时延、高精度同步等技术,对提升 TDOA 定位精度也有帮助。TDOA 的误差来源主要是时钟误差,降低时钟误差可以采用高精度晶振,但这个提升有限,要大幅度提高成本较高。AOA 的的误差是基站与终端距离的线性函数,这个容易后期补偿,成本较低。因此 AOA 是主要方向。


5G 最擅长的是室内定位 ,因为 5G 的穿透力比较差,大范围定位不是 5G 的强项。自主代客泊车的地下停车场定位是最具备优势的,和完全依靠概率算法的摄像头方案比,通讯的物理定位准确度、稳定性和鲁棒性强之百倍。地下停车场照度低,光线变化剧烈,非常不适合基于摄像头的方案。还有基于物流仓库的室内定位,水平与垂直都要求精度是 5-10 厘米,远不是摄像头能做到的,UWB 方案则成本较高,也有频谱问题。

 


通信网和定位网可以合二为一,提高网络利用率,分摊部分成本。低成本是其最大优势。定位网元可以和基站共站,支持常规的一体化的通信和定位覆盖;定位设备也可以以独立定位设备形态存在,支持独立的定位增强覆盖网络;可以支持异构定位网,包括带内定位网、共频带定位技术、TBS、Wi-Fi 等;各种定位网络支持接入 5G 网络,在终端或者定位服务器中进行融合定位。因为目前标准基站之间接口无法支持高精度同步,应此必须增加高精度同步网络单元。


2019 年 10 月,华为、香港电讯(HKT)和全球移动供应商协会(GSA)联合发布《室内 5G 场景化白皮书》,其中就提到高精度室内定位,目前已经能达到亚米级。2020 年 2 月 29 日,华为召开 5G 室内覆盖新产品与解决方案线上发布会,重磅推出 5G 室内数字化家族系列全新产品和解决方案,包含升级版 5G LampSite、5G LightSite,和 5G 室内覆盖解决方案 LampSiteEE(Enterprise Edition)。华为面向行业场景发布的 LampSite EE 解决方案,包含有 5 大功能集:5G 室内超宽带、5G 室内精准定位、5G 工业级超低时延、5G 室内高可靠性、5G 工业级高密并发连接。


2020 年 3 月 19 日,高通则发表了自己的室内定位视频。     

 

 


室内共有 5 个 TRP(发射与接收点),每个使用定向天线,4X4MIMO 阵列,400MHz 带宽,中心频率 6.225GHz。

 

 


水平定位精度基本保持在 10 厘米左右,垂直定位精度略低。


如果在高速公路这样的开放空间,利用 V2X 网络也可以做大范围的高精度定位。而室内的高精度定位显然用 5G 是最合适的。