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5G网络将如何提高位置感知

来源:爱集微

#5G#

#u-blox#

2019-01-28

u-blox公司 Sylvia Lu、David Bartlett

3GPP 16版本承诺随处提供实惠可靠的高精度定位服务。充分发挥新的信号特性并结合各种非蜂窝技术,有助于实现平稳可靠、形式多样的混合定位。

你是否信任你的GPS?你是否盲目遵从它的导向?尽管我们很少这样认为,但是我们智能手机或汽车中接收器的全球导航卫星系统(GNSS)定位读数只是统计量。该统计量表明在既定的概率下(比如50%),你离显示的定位点距离是多少。最终,如何采纳这些信息取决于你对设备输出结果抱有多大的信心。

长期以来,GNSS是提供用户设备精确位置的唯一来源。但是,随着应用的普及、多样化且对安全性的提升,了解如何量化读数的可靠性,并在GNSS不可用时采用其他输入来源,对最终定位取得成功至关重要。

当然,GNSS不是位置信息的唯一来源。配置蜂窝调制解调器的设备可利用蜂窝信号确定其大致位置。u-blox等作为市场上的关键提供商,长期以来在其蜂窝通信模块中提供基于蜂窝信号的解决方案和混合定位解决方案,以扩大定位服务的覆盖范围。

当下,业界驱动的3GPP(第三代合作伙伴项目)正在开发5G定位技术并建立相关国际标准,这是5G技术架构经常被忽略的部分。该国际标准组织涵括七个区域电信标准组织,全球数百家企业成员,合力推动开发适用于垂直领域的基于下一代蜂窝通信技术的5G定位技术。

简要回顾

定位技术从一开始就在实现蜂窝通信方面发挥着重要作用。起初,这只是项副产品:为了将来电接入到接收方的终端设备中,移动网络运营商需要了解在任何既定时间连接了哪些特定蜂窝基站终端用户。

但在1999年,情况发生了变化,当时美国监管机构要求提供高精度位置估计,支持紧急服务,如此催生出第一代基于蜂窝技术的专用定位服务。2002年,欧盟效仿美国的做法。此后,在行业需求和3GPP标准的大力推动下,定位服务的范围随着每一代蜂窝技术的发展而不断拓展。

如今的4G LTE网络可为移动网络运营商提供各种方法,以在不同精度范围内确定各个用户的位置。这些方法灵活利用了固定和移动网络基础结构的不同组合,包括利用定位卫星的外部资源。

下表简要介绍了主要4G LTE定位服务。

1主要4G LTE定位服务

新用例新需求

监管机构的需求向来是基于定位服务的主要推动力,而如今,包括硬件设备制造商、航天局和移动网络运营商在内的几家公营和私营公司正在推动使用蜂窝定位服务来实现高精度和准确性,从而实现新一代由商业驱动的基于定位的服务。

这些应用大体上可分为:用户设备辅助,即从网络和外部应用中获取位置,以追踪对象的去向;以用户设备为基础,即用户设备计算其自身位置用以导航和引导。

物联网(IoT)如今已渗透到经济和社会生活的方方面面,这将对定位技术的覆盖率和可靠性提出更高期望。比如高速互联网,我们期望几乎可随处访问它,高精度定位同样也因该如此。

为此,3GPP和其他标准机构正对基于蜂窝定位的应用和性能要求重新进行审视,并发布在下个技术规范中。得益于改进后的高精度定位服务的用例广泛,包括工业、资产追踪、汽车、交通管理、智慧城市、共享单车、医院、无人机、公共服务、增强现实(AR)、消费者和专业穿戴产品。

5G定位技术会根据各种用例的需求,提供多样化的基于蜂窝和混合定位技术,从而实现绝对定位和相对定位。关键位置信息应在测量输出时包括数置信度。当前,业界对一些关键要求尚未完全确定和达成一致意见,比如水平和垂直精度、相对精度(附近设备之间)、首次定位时间、速度精确性、功耗、延迟以及操作和安全相关等特性。

下文中,我们将了解三种用例的需求,尤其是垂直行业:(i)无人机任务和操作,(ii)工业物联网追踪应用,和(iii)自主车辆导航。前两个用例的引用值来自3GPP TR 22.872技术报告。汽车用例(包括各种特定应用)的引用值均引用自其他参考。

新一代GNSS正在改变游戏规则

在过去的几年中,基于卫星的定位技术发展快速。在卫星导航早期,GNSS接收器必须依靠单星座的轨道卫星,即美国的GPS或俄罗斯的GLONASS系统,以确定其位置。如今,相比最初的两个系统,欧洲伽利略系统和中国北斗系统有更多操作系统可供选择,另外添加了几个区域增强系统。时至今日,可同时接收所有轨道GNSS星座信号的多星座GNSS接收器,如 u-blox F9接收器,正在成为常态。因此,即使大片天空被遮蔽,如在城市(或实际)峡谷中,接收器仍可“看见”大量的卫星,从而提高准确性并缩短获取位置的时间。

最初,GNSS接收器使用单个频段上传输的卫星信号估计其位置。位置误差的其中一个主要来源是由于卫星信号在穿过带电电离层时速度放缓。由于该延迟情况与平方频率的倒数成正比,因此使用其他频段的信号有助于确定和校正电离层误差。最新一代双频段GNSS接收器利用基于标准代码的定位技术将开阔天空条件下的平均位置误差由2.5m降低至不到1m。

GNSS定位质量长期得益于商用GNSS校正服务。GNSS校正服务提供商通常利用可获得准确位置的基站网络监控GNSS接收信号,并向收费的终端用户传输定制的校正信息。对于基于编码的定位技术,这些被称为差分校正。

如果使用高精度载波相位追踪RTK(实时运动技术)方法时,附近参考接收器所获取的校正可实现厘米级定位。如今正在孕育新一代GNSS校正服务,它采取替代方法,通过互联网或卫星广播整个地理区(例如一个国家或整个大陆)的GNSS代码和载波相位数据。

将多星座和多频段接收器与新GNSS校正方案相结合,可在大幅度降低拥有成本的情况下获得厘米级精度,这为厘米级高精度定位用的新型大众市场应用奠定了基础。

即便如此,GNSS仍然面临两项劣势:理想情况下,接收器需要在轨道卫星的视线范围内,确定位置。在室内和隧道内,服务会出现降级或无法提供的情况。最佳的情况下,GNSS接收器冷启动后需要几秒钟来清晰地确定其位置。惯性传感器驱动的惯性导航解决方案主要为汽车应用量身定制,极大拓宽了GNSS信号无法达到的高精度定位的范围。相比于通过GNSS信号自身,辅助GNSS(A-GNSS)采取更快方式来检索GNSS轨道和时钟数据,从而缩短首次定位时间。

5G将为基于蜂窝的定位技术带来新的改进

3GPP15版所定义的下一代蜂窝技术,即5G新无线电技术,正在孕育之中。部分地区的终端用户最早将于2019年上半年接触基于4G LTE的非独立式架构,同时三星、Verizon、LG和Sprint以及华为将在2019年初发布5G智能手机,苹果预计将于2020年紧随其后。独立式5G部署将紧随其后。

几大移动网络运营商已经公开宣布开始在城市中心部署5G网络。美国率先采取部署行动。AT&T于2018年开始推出, 2019年继续,旨在在年中时实现全国覆盖。韩国是第二个加入该项竞赛的国家,各大电信公司已经联合于2019年3月宣布推出5G。英国沃达丰宣布计划于2020年开始推出该项技术。但是,高精度定位服务要等到2019年底左右第16版的推出,才能成为3GPP 5G规范的一部分,商用部署估计最早于2020年进行。

推动5G落地的动力各不相同。新应用对蜂窝网络性能的可靠性、可用性、覆盖范围和延迟方面提出更高要求。移动网络运营商正期望利用5G技术从垂直行业创造新的收入来源。芯片集供应商则认为有机会可通过授予5G技术知识产权增加收入。此外,用户将获得他们期待已久的更高的数据速度。

5G 蜂窝通信技术通过三种主要的应用场景满足不同要求: eMBB、uRLLC和mMTC(我们将在下文简要介绍)。

l eMBB(提高移动宽带)将蜂窝通信的专用频谱扩大至更高频率,因此可以更快地传输数据。

l URLLC(超高可靠超低时延通信)带来了新的机遇,例如自主车辆和车联网(V2X)应用。

l mMTC(海量机器类通信)将继续在低功耗广域网络(LPWA)通信领域中发展物联网应用。

在这些场景实现定位需要新信号和新基础架构,可利用其扩大现有技术的范围,包括更高频率下更大的带宽,将更多天线纳入到复杂的天线阵中以及更密集的电信网络。目标十分明确:即在低于15ms的低延迟情况下达到分米级定位精度。

5G为基于蜂窝的定位技术带来了福音

3GPP目前聚焦于将一系列4G LTE定位方法融入到5G技术中。通常,这些方法使用上行链路和下行链路信号确定各个终端设备的位置,从而确定其相对于可作为定位点的移动网络天线的位置。例如,增强 Cell-ID 和基于TDOA的方法。

在增强Cell-ID方法中,终端设备监控其与多个基站的临近程度,以测量信号强度和到达设备的近似传播时间。相比于简单地仅测量最近的单元中心,将这些观察相结合可更精确地计算设备位置的估计值。

在基于TDOA方法中,终端设备可精确测量多个基站信号的到达时间。相比使用增强Cell-ID,设备根据观察到的接收时间之差,利用多点定位方法可更加精确地确定其相对于观察到的基站的位置。

另一类是尚未充分利用的侧链路,这是一项涉及设备到设备通信的4G LTE技术,可支持设备确定其彼此间的相对位置。车联网(V2V)通信就是个典型用例。

5G的新频谱分配为基于蜂窝的定位技术带来了福音,特别是由于可在更高频率下提供更大的带宽(频谱包括低于6GHz,及24GHz以上的毫米波)。更大的带宽意味着可更精确地解析信号时间(时间与带宽之间存在逆相关),因此更大的带宽可提高解析多径效应的能力,多径效应是造成混乱城市和室内环境的主要误差源,这是因为穿过不同路径的信号在不同时间到达。

同时,5G采用新频率会影响蜂窝基站的地理部署和所使用的天线技术,有利于基于蜂窝的定位。这是因为信号在高频谱传播损耗高,相比于长波,短波覆盖范围小,这意味着MNO需要部署更多的基站,以维持覆盖范围。另外,引入具有聚束功能的天线阵将有助于将信号导向终端用户。更高密度的定向感知天线将通过测量延迟、入射角(AoA)和发射角(AoD),提高多径分量的分辨率,以提高定位性能。此外,今后可能可以实现使用单个基站定位设备。

无间断高精度定位需要采用混合方法

单一法无法可靠地给目标用例提供所有环境条件下所需的精确度。正如所见,尽管如今的基于GNSS的解决方案能够可靠地提供高精度定位,但是对于室内应用则存在局限性。基于5G的定位解决方案可形成互补,并可为室内外应用场景提供准确的位置估计。  

混合解决方案将多种蜂窝方法与非蜂窝方法完美结合,最有希望实现这些目标,例如GNSS、陆地信标系统(TBS)、基于 Wi-Fi和蓝牙测量和惯性测量(IMU)。额外冗余有助于提高容错性和整体解决方案的完整性,提供与每个位置估计保持一致的定量测量的置信度。

毫无疑问,混合定位解决方案的应用领域前景广泛。业界已将包括GNSS和卫星信号,以及Wi-Fi 和蓝牙等在内的地面无线信号规划在3GPP的研究范围内。相应的解决方案将作为第16版在2020年第一季度为推出。 

结论

5G信号多样化,在此基础上实现基于蜂窝的定位解决方案毫无疑问是一项复杂的工作。然而,及时部署基础结构将有助于实现早期广泛覆盖,从而吸引足够大的用户基数。

新兴应用的定位需求严格,混合定位法将对于实现这些需求起到至关重要的作用,同时也将满足大家对无间隙高精度定位寄予的厚望。毫无疑问,这将不可避免筛选不同技术中的代表性技术,无论是GNSS、蜂窝、短程、卫星通信还是其他技术,来共同建筑优于其组成成分总和的结果。

爱集微

作者

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邮箱:jiwei@lunion.com.cn

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