从 2G 到 4G,蜂窝网络的定位技术主要有:E-CID、AoA、ToA、TDOA 等。

 

 

E-CID

传统基站分为三个扇区,一个扇区对应一个小区,每扇区通常 120 度,每个小区都有不同的识别码(Cell ID)。

 

由于基站的经纬度是已知的,根据 Cell ID 就可以大致锁定手机的位置。但一个小区的覆盖范围很大,通常几百米到几公里,仅基于 Cell ID 的定位误差非常大,所有有了 E-CID 定位技术。

 

E-CID,Enhanced Cell-ID,指基于 Cell ID 的增强定位技术,包括 Cell ID+RTT、Cell+RTT+AoA 等。

 

 

Cell ID+RTT

在 Cell ID 的基础上增加 RTT(Round Trip Time)测量,即通过 TA(Time Advance,时间提前量)得出信号从手机到达基站,或从基站到达手机的时间,再乘以光速(无线信号传播速度)来估算手机与基站之间的距离。

 

在 Cell ID+RTT 的定位方式下,可对附近的三个基站进行距离估算来提升定位精准度。

 

Cell ID+RTT+AoA

AoA,Angle-of-Arrival,到达角,就是利用手机信号传送至基站的入射角度来进一步确定手机在该区域的位置。

 

在 Cell ID 的基础上,增加 RTT 和 AoA 辅助可大幅提升定位精准度。

 

E-CID,就是在 Cell ID 的基础上增加 TA、AoA、RSRP、RSRQ 等辅助信息来提升定位精准度的定位方法。

 

TOA

TOA,Time of Arrival(到达时间)。

 

 

指通过测量多个基站发送的参考信号到达手机的时间,来计算不同基站与手机之间的距离,并以该距离为半径分别画一个同心圆,再通过定位算法(三边定位算法、最小二乘算法),来估算手机位置。

 

TDOA

TDOA,Time Difference of Arrival(到达时间差)。

 

TOA 定位法的缺点在于,若基站与手机之间时间不同步,双方都不知道信号发送的绝对时间,会造成计算和定位误差。

 

而 TDOA 利用相对时间(时间差)来弥补了这一缺点,即通过测量手机与附近两个基站的信号到达时间差,来计算手机到基站的距离差。

 

 

从数学的观点看,手机的位置必定位于以这两个基站为焦点、以其距离差为定差的双曲线上。这样一来,周围三个或三个以上的基站就能两两形成两条或两条以上的双曲线,双曲线的交点就是手机的二维位置坐标。

 

上表中的 OTDOA、UTDOA 和 E-OTD 属于 TDOA 定位法。

 

A-GNSS

A-GNSS,Assisted GNSS,即网络辅助的卫星定位系统。

 

 

A-GNSS 需要网络和手机都能接收 GNSS 信息。在 A-GNSS 中,网络可以根据终端当前所在的区域,确定所在区域上空的 GNSS 卫星,将这些信息提供给终端,从而终端可以根据这些信息缩小卫星搜索范围、缩短搜索时间,更快的完成可用卫星的搜索过程。终端快速获得自身的位置后再将位置信息发送到网络的定位服务中心可计算出更精准的位置。

 

A-GNSS 可满足快速移动定位需求,但无法满足室内定位需求。

 

5G 时代的定位需求

5G 将使能各行各业的多样化应用,车联网、自动驾驶、智能制造、智慧物流、无人机、资产追踪等大量应用场景对定位能力要求更高,比如车联网中的车辆结队、主动避撞要求定位精度高达 30 厘米,且要求支持高速移动和超低时延的定位能力;远程操控无人机要求 10-50 厘米。同时,如资产追踪、无人 AGV、AR/VR 等大量应用集中在室内,卫星定位系统无法覆盖。因此,5G 必须增强网络定位技术来提升定位精准度。

 

根据 3GPP R16 定义,5G 定位能力必须满足以下最低要求:

• 对于 80%的终端,水平定位精度优于 50 米,垂直定位精度优于 5 米。

• 端到端时延低于 30 秒。

 

对于要求严苛的商业用例,5G 定位能力至少需满足以下要求:

• 对于 80%的终端,水平定位精度优于 3 米(室内)和 10 米(室外)。

• 对于 80%的终端,垂直定位精度优于 3 米(室内和室外)。

• 端到端时延小于 1 秒。

 

5G 定位技术

 

 

DL-TDOA:5G R16 版本引入了新参考信号 ----PRS(定位参考信号),用来供 UE 对每个基站的 PRS 执行下行链路参考信号时间差(DL RSTD)测量。这些测量结果将上报给位置服务器。

 

UL-TDOA:5G R16 版本增强了 SRS(信道探测参考信号),以允许每个基站测量上行链路相对到达时间(UL-RTOA),并将测量结果报告给位置服务器。

 

DL-AoD(下行离开角):UE 测量每波束 /gNB 的下行链路参考信号接收功率(DL RSRP),然后将测量报告发送到位置服务器,位置服务器根据每个波束的 DL RSRP 来确定 AoD,再根据 AoD 估计 UE 位置。

 

UL-AOA(上行到达角):gNB 根据 UE 所在的波束测量到达角,并将测量报告发送到位置服务器。

 

Multi-cell RTT:gNB 和 UE 对每个小区的信号执行 Rx-Tx 时差测量。来自 UE 和 gNB 的测量报告会上报到位置服务器,以确定每个小区的往返时间并得出 UE 位置。

 

E-CID:UE 对每个 gNB 的 RRM 测量(例如 DL RSRP),测量报告将发送到位置服务器。

 

所有与定位相关的测量报告都要上报到位置服务器,这些测量报告包括:

 

UE 上报的定位测量报告:

• 每波束 / gNB 的 DL RSRP

• 下行参考信号时间差(DL RSTD)

• UE RX-TX 时间差

 

gNB 上报的定位测量报告:

• 上行到达角(UL-AoA)

• UL-RSRP

• UL-RTOA(UL 相对到达时间)

• gNB RX-TX 时间差

 

简而言之,基于以前的蜂窝网络定位技术,5G R16 引入了新的定位参考信号(PRS),采用了 DL-TDOA、UL-TDOA、DL-AoD、UL-AOA、E-CID 多种定位技术来合力提升定位精度。

 

同时,由于 5G 时代超密集网络增加了参考点的数量和多样性,Massive MIMO 多波束可让 AoA 估计更精确,以及更低的网络时延可提升基于时间测量的精度等,这些优势可进一步提升 5G 定位能力。

 

未来,5G 定位能力将进一步增强,R17 版本还会将 5G 定位精度提升到亚米级。

 

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