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面向5G移動通信網的高精度定位技術分析*

2019-11-07 11:11:17 移動通信 2019年9期

歐陽俊 陳詩軍 黃曉明 陳大偉 王園園

【摘? 要】如何提高室內定位精度并實現室內外定位的連續無縫覆蓋是定位領域急需解決的問題,針對該問題,首先介紹了4G定位的標準與技術,并分析了其特點與不足。然后,分析了面向5G的超密集組網下的定位技術,AOA、TDOA定位技術以及上下行定位技術。最后,指出定位一體化和融合化是未來5G定位發展的趨勢,進而提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統的網絡架構。

【關鍵詞】5G定位技術;高精度定位;通信定位一體化;融合定位

High Precision Localization Technology for 5G Mobile Communication Networks

OUYANG Jun1, CHEN Shijun2, HUANG Xiaoming3, CHEN Dawei2, WANG Yuanyuan2

(1. Research Center of Networks and Communications, Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518055, China;

2. Wireless Advanced Research Department, ZTE Corporation, Shenzhen 440300, China;

3. China Unicom Group Co Ltd, Guangdong Branch, Guangzhou 510627, China)

[Abstract]?How to improve indoor positioning accuracy and achieve continuous seamless coverage of indoor and outdoor positioning is an urgent problem in positioning field. Firstly, this paper introduces the standards and technologies of 4G positioning, and analyzes the characteristics and shortcomings. Then, the positioning technologies under 5G UDN, AOA, TDOA, uplink positioning and downlink positioning technologies are analyzed. Finally, it is pointed out that the integration and fusion of positioning technologies are the trend of 5G localization, and a network architecture is further proposed for 5G heterogeneous integration positioning systems.

[Key words]5G localization technology; high precision positioning; communication and positioning; integration;

hybrid positioning

1? ?引言

目前,基于全球衛星導航系統的定位技術已經廣泛應用。然而,由于建筑物等對衛星定位信號的遮擋,導致室內定位精度無法滿足其高精度定位要求[1]。當前以室內定位為主要訴求點的定位技術,往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點[2-3]。如何提高室內定位精度并實現室內外定位的連續無縫覆蓋是定位領域亟待解決的問題。針對該問題,本文首先介紹了面向4G和5G的定位技術,然后分析了5G高精度定位的技術特點;最后提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統的網絡架構。主要從兩個方面來解決5G網絡高精度定位的問題:一是基于5G技術特點提升面向5G的基礎定位精度,使其能夠滿足較大區域的高精度定位及覆蓋需求;二是融合各種異構定位技術(如Wi-Fi,TBS(Terrestrial Beacon System,地面定位系統)、帶內定位以及共頻帶定位等)。本文提出的定位系統網絡架構的主要特點,一是異構,即定位系統包含多種不同的定位技術,因為現有的任何某單一定位技術都無法同時滿足室內外覆蓋范圍與定位精度的需求[4];二是智能融合,即該定位系統不是簡單地對各種定位技術的疊加,而是智能地融合,包含融合信號測量、融合位置估計算法、融合定位決策與反饋等多個層次的融合;三是一體化,即在網絡架構設計層面實現通信網與定位網的一體化,這需要在通信網的基礎上增加相應的定位網元和定位管理網元以及高精度同步網元,一體化可以充分利用現有移動通信網覆蓋范圍大、設備兼容性高等特點。

2? ?面向4G的定位技術

2.1? 4G系統定位標準與技術

傳統的移動通信網支持定時提前量定位、增強觀察時間差定位、上行到達時間差定位,但定位精度無法滿足室內定位需求[5]。因此,自2016年起,3GPP在R13、R14版本持續開展針對3G和4G室內定位技術增強的研究,增強了RAT(Radio Technology,無線電技術)定位方法,完善了非RAT的室內定位方法等。在R14標準版本的定位增強技術包括以下幾方面:

(1)共享PCI(Physical Cell Identifier,物理小區標識)場景下的OTDOA(Observed Time Difference of Arrival,觀察到達時間差)增強。

R14中,終端能夠區分共享PCI場景下的不同傳輸節點,增加了終端側可進行定位測量節點的個數,從而提高了定位精確度。

(2)基于定位參考信號的信標

R14引入了只傳輸定位參考信號的傳輸節點,該特性使得終端能夠識別額外的定位參考信號,從而提高了定位精確度。

(3)定位參考信號結合CRS(Cell Reference Signal,小區參考信號)進行測量

終端能夠結合定位參考信號和小區參考信號,獲得RSTD(Reference Signal Time Difference,參考信號時間差測量),從而改善OTDOA精確度。

(4)多徑下的TOA(Time of Arrival,到達時間)

R14中,終端可以將多條路徑下的TOA上報給網絡側,網絡側可以利用該信息,補償由于多徑衰落導致的測量誤差,從而提高了定位精確度。

2.2? 面向4G定位的特點與不足

R14定位增強技術中,對定位至關重要的同步技術沒有深入研究和標準化,定位性能評估仍然采用通信的方法,因此4G定位精度仍然沒有得到明顯的提高。而且,目前4G的定位主要還是基于單一的定位技術,架構層面缺乏多種定位技術間有機的和深層次的融合,缺乏一種能夠將多種定位技術融合在一起的、全面的、系統的、層次化的融合定位技術架構。

3? ?面向5G的定位技術

針對目前面向4G移動通信網定位技術的不足,我們接下來將首先分析面向5G定位的主要技術,并指出定位一體化和融合化是未來5G定位發展的趨勢,然后提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統的網絡架構。

3.1? 面向5G定位的主要技術

(1)超密集組網下的定位技術

5G超密集組網為高精度室內定位提供了網絡基礎[6],但仍需解決每個射頻單元的可分辨性問題。針對室內場景,目前每個RRH(Remote Radio Head,遠端無線射頻單元)只是復制發送基站的基帶信息。因此終端不能區分是從哪個遠端無線射頻單元發來的定位信號,定位技術無法充分利用密集組網的覆蓋優勢。因此,如圖1所示,需要在5G室內分布系統的每個射頻單元都分配獨立的PRS ID,實現定位信號的可分辨性。

(2)面向5G的TDOA和AOA定位技術

在諸多室內定位增強技術中,TDOA(Time Difference of Arrival,信號到達時間差)和AOA(Angle of Arrival,到達角度測距)是兩種基礎的無線定位技術。從理論上分析,一方面,5G采用高頻或者毫米波通信,毫米波通信具有非常好的方向性,可以實現更高精度的測距和測角;另外一方面,5G采用大規模天線技術,具有更高分辨率的波束,也可以實現更高精度的測距和測角特性[7]。因此,基于AOA的定位方法將比4G具有更高的精度。此外,由于5G采用了低時延、高精度同步等技術,對提升TDOA定位精度也有幫助。下面分別從誤差模型出發,分析在5G技術下TDOA和AOA兩種基礎定位方法的特性。

1)TDOA技術主要原理是根據檢測定位信號到達基站間的時間差列出觀察方程,如式(1)所示,通過至少4個基站,建立至少三個相對時間差方程組,然后求解方程組中的坐標未知量[8]。因此,其誤差主要來源是時鐘誤差。

(1)

其中,i∈Ω為基站編號,δi為基站i時鐘誤差,δue為終端UE與標準時鐘的鐘差,εti為測距誤差。在TDOA定位中,δi可以消除掉,但δi和εti仍然是TDOA定位誤差的主要來源,誤差消除成為目前定位技術研究的重點和難點。εti引入因素包括多徑、NLOS以及采樣精度。

2)AOA技術通過角度測量獲得空間直線方程,最少可以利用兩個基站完成終端的定位,其誤差觀測方程如下(一般方程比較復雜,下面以二維簡單情況為例說明誤差模型,并設極軸均和坐標系軸同向):

(2)

其中,α1為相對極軸的測量角,(ρi,θi)為錨點坐標,(ρ,θ)為終端坐標。通過觀測方程可以看到測距誤差為:

Δρ=|Lbs-ue|×Δθi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)

其中,L為基站和終端間距離,Δθ為角度誤差。當距離足夠大時,位置誤差是基站和終端距離的線性函數。同時αi受環境反射的影響非常大。

通過誤差模型,綜合比較TDOA和AOA技術,兩者特點如表1所示:

通過分析TDOA和AOA兩種定位技術的特點,可在5G定位中,根據不同的場景,選擇最合適的定位技術,提高綜合定位精度。

(3)面向5G網絡上行定位和下行定位

上行定位和下行定位是4G系統的兩個基本定位方式,而且上行定位曾一度被行業看好是解決室內定位的主要解決方案。上行定位的主要原理是終端發射定位信號,基站進行檢測定位;下行定位的主要原理是基站發射定位信號,終端進行檢測定位。兩者在5G網絡下的特點如表2所示。

從表2可以看出,下行定位能夠充分發揮出5G系統的大帶寬、低時延、大規模天線陣列等特點。基站的發射功率比終端大上千倍,借用Massive MIMO的優勢,大大提高定位的覆蓋距離,降低定位系統對網絡密度的要求。

3.2? 面向5G定位網絡架構

要提供高精度的室內外一體化定位服務,除了利用5G技術提升基礎定位技術的定位精度外,另外重要的一方面就是需要以5G通信網絡為基礎,充分利用移動網絡的管道和平臺優勢,融合各種不同異構定位技術,實現通信和定位一體化。下面分別從一體化和融合的角度闡述面向5G的定位網絡架構:

(1)一體化網絡架構

一體化網絡架構如圖2所示,架構在通信網頻帶內,一體化同時支持通信網和定位網,具體來說架構具有以下特點:

1)支持高精度同步網絡。因為目前標準基站之間接口無法支持高精度同步,應此必須增加高精度同步網絡單元;

2)實現了通信網和定位網一體化的目標,分別設計了相應的定位網元和定位管理網元;

3)定位網元可以和基站共站,支持常規的一體化的通信和定位覆蓋;

4)定位設備也可以以獨立定位設備形態存在,支持獨立的定位增強覆蓋網絡;

5)可以支持異構定位網,包括帶內定位網、共頻帶定位技術、TBS、Wi-Fi等;

6)各種定位網絡支持接入5G網絡,在終端或者定位服務器中進行融合定位。

(2)融合技術架構

異構融合定位系統不是簡單地對各種定位網絡疊加,需要研究各種定位技術的智能融合技術,綜合實現最優的定位性能[9]。如圖3所示,智能異構融合定位技術架構具有以下特點:

1)異構一體化融合定位架構:在架構層面建立了異構一體化融合的機制,通過多種有機融合機制,綜合輸出最優的定位結果。

2)多層次融合:支持多種基本室內外定位技術以及補充定位技術融合;在融合手段上,支持基本定位技術結果融合、各種定位技術測試量的混合算法、預測融合等多個層面的機制以及定位決策與反饋。

3)反饋式融合定位決策機制:融合定位架構包含了實際位置結果估計和預測擬合結果之間反饋決策機制,充分利用空間、預測等智能分析方法,減少異常定位結果,提高定位的可靠性和穩定性。

4? ?結束語

智能化社會發展急需構建低成本、高精度的廣域室內外定位服務系統。以超密集組網、超低時延、大規模陣列天線等技術為代表的5G通信技術為解決這一問題提供了新的基礎。本文分析了4G/5G定位的關鍵技術,充分利用移動通信網的管道和平臺優勢以及5G技術特點,創造性地提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統的網絡架構,為同時解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問題提供了一種解決思路。

參考文獻:

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