3GPP Release 16 承諾使高精度定位服務更便宜、更可靠。結合各種非蜂窩技術利用新的信號特性可以實現混合定位的形式。

你相信你的GPS嗎？你會準備盲從嗎？雖然我們很少這么想，但我們智能手機或汽車中全球導航衛星系統 （GNSS） 接收器的位置讀數是一個統計量。它告訴您，以給定的概率（例如 50%），您在指定的距離（例如 1 米）內。最終，您與所提供信息的關系取決于您愿意對設備提供的輸出有多大信心。

全球導航衛星系統 （GNSS）

GNSS 長期以來一直是用戶設備準確位置估計的唯一來源。但隨著應用程序變得更加廣泛、多樣化和安全關鍵，了解如何量化讀數的可靠性以及在 GNSS 不可用時使用替代輸入源已成為其成功的關鍵。

當然，GNSS 并不是唯一可用的位置信息來源。具有蜂窩調制解調器的設備可以使用蜂窩信號確定其大致位置。市場上的主要參與者，如 u-blox，長期以來一直在其蜂窩通信模塊中提供基于蜂窩信號的混合定位解決方案，后者結合了 GNSS 和蜂窩信號，以擴大定位服務的覆蓋范圍。

現在，5G 定位是 5G 技術結構中經常被忽視的組成部分，正在由行業驅動的 3GPP（第三代合作伙伴計劃）開發和標準化。該機構匯集了七個致力于制定電信標準的組織和數百家企業成員，正在推動 5G 定位的發展，將其作為下一代蜂窩通信技術的一個組成部分，同時考慮到不同行業垂直領域的需求。

簡要回顧

定位從一開始就在實現蜂窩通信方面發揮了重要作用。最初，它只是一個副產品：為了將傳入呼叫路由到接收者的終端設備，移動網絡運營商需要知道在任何給定時間最終用戶連接到了哪些特定的蜂窩基站。

這種情況在 1999 年發生了變化，當時美國監管機構提出了對高精度位置估計的要求以啟用緊急服務，這導致了第一代基于蜂窩技術的專用定位服務。1歐盟在 2002 年效仿美國。2從那時起，定位服務的范圍隨著蜂窩技術的不斷發展而擴大，主要由行業需求驅動并由 3GPP 標準化。

因此，當今的 4G LTE 網絡為移動網絡運營商提供了廣泛的方法來以不同程度的準確度確定每個用戶的位置。這些方法利用了固定和移動網絡基礎設施的不同組合，以及定位衛星等外部資源。

下表概述了主要的 4G LTE 定位服務。3

表 1. 主要 4G LTE 定位服務

新用例和需求

雖然基于位置的服務的主要驅動力是監管機構的需求，但今天，包括硬件和設備制造商、航天機構和移動網絡運營商在內的幾家公共和私營公司正在推動通過蜂窩定位服務提供更高的準確性和精度以實現新一代商業動機的基于位置的服務。

這些應用程序大致分為 UE-Assisted，其中網絡和外部應用程序獲取位置以跟蹤對象的位置，以及 UE-based，其中 UE 計算自己的位置以用于導航和引導。 4

與此同時，物聯網 （IoT） 滲透到我們經濟和社會生活的方方面面，對定位技術的覆蓋范圍和可靠性的期望越來越高。而今天，我們希望幾乎在任何地方都能訪問高速互聯網，而高精度定位也可能成為現實。

因此，3GPP 和其他標準化機構正在重新審視其即將發布的版本中蜂窩定位的應用空間和性能要求。受益于改進的高精度定位服務的用例范圍廣泛，包括工業、資產跟蹤、汽車、交通管理、智慧城市、共享單車、醫院、無人機、公共服務、增強現實 （AR） 以及消費者和專業的可穿戴設備。

總體而言，5G 技術旨在提供各種基于蜂窩和混合定位服務，提供絕對和相對定位，具體取決于每個特定用例的需求。至關重要的位置信息應該以可以放在讀數上的置信度來衡量。尚未完全定義和商定的關鍵要求是水平和垂直精度、相對精度（附近設備之間）、首次修復時間、速度精度、功耗、延遲以及操作和安全相關屬性。 5

在下文中，我們將看看三個用例所提出的需求，特別是在垂直行業中：（i） 無人機任務和操作，（ii） IIoT 跟蹤應用程序，以及 （iii） 自動車輛導航。前兩個用例引用的值來自 3GPP TR 22.872 技術報告。6用于汽車用例的那些包括廣泛的特定應用程序，來自其他參考資料。7，8

圖 1.三個選定垂直領域中新興 5G 定位用例的要求。

新一代 GNSS 接收器如何改變定位

過去幾年，基于衛星的定位一直在快速發展。在衛星導航的早期，GNSS 接收器必須依靠單個軌道衛星星座（美國 GPS 或俄羅斯 GLONASS 系統）來確定其位置。現在有更多的操作系統，包括歐洲伽利略和中國北斗系統，以及在原來的兩個系統上增加了幾個區域增強系統。今天，可以同時接收來自所有軌道 GNSS 星座的信號的多星座 GNSS 接收器，例如 u-blox F9 一代接收器，正在成為常態。結果，接收器能夠“看到”更多的衛星，即使在天空的大部分被遮擋的情況下，例如在城市（或實際）峽谷中，

最初，GNSS 接收器使用在單個頻段上傳輸的衛星信號來估計其位置。位置誤差的主要來源之一是當衛星信號在穿過帶電電離層時減速時引起的。由于此延遲與平方頻率的倒數成正比，因此使用來自其他頻帶的信號可以幫助確定和糾正電離層誤差。最新一代的雙頻 GNSS 接收器使用標準的基于代碼的定位，在開闊的天空條件下將平均位置誤差從大約 2.5 m 降低到不到 1 米。

GNSS 定位質量長期以來一直受益于商業 GNSS 校正服務。GNSS 校正服務提供商通常使用具有精確已知位置的基站網絡監控傳入的 GNSS 信號，并將定制的校正信息傳輸給最終用戶并收取費用。對于基于代碼的定位，這些被稱為差分校正。

當使用高精度載波相位跟蹤 RTK（實時運動學）方法時，從附近的參考接收器獲得的校正可以實現厘米級定位。今天，新一代 GNSS 校正服務正在形成，它采用另一種方法，通過互聯網或衛星廣播整個地理區域（例如一個國家或整個大陸）的 GNSS 代碼和載波相位校正數據。

多星座和多頻段接收器與新的 GNSS 校正方案相結合，以實現厘米級精度，同時顯著降低擁有成本，為厘米級高精度定位的新型大眾市場應用鋪平了道路。

也就是說，GNSS 仍然存在兩個缺點：接收器需要理想地位于軌道衛星的視線范圍內才能確定位置。在室內和隧道中，服務會降級甚至不可用。而且，在最好的情況下，GNSS 接收器需要幾秒鐘才能從冷啟動中首次明確確定其位置。由慣性傳感器提供支持的航位推算解決方案主要針對汽車應用量身定制，大大擴展了 GNSS 信號范圍之外的高精度定位范圍。與通過 GNSS 信號本身相比，輔助 GNSS （A-GNSS） 提供了一種更快的方式來檢索 GNSS 軌道和時鐘數據，從而加快了首次修復的時間。

5G 將如何為基于蜂窩的定位帶來新的改進

5G New Radio 是 3GPP 第 15 版定義的下一代蜂窩技術，已經在醞釀之中。9一些地區的最終用戶最早將在 2019 年上半年首先獲得基于 4G LTE 的非獨立架構，三星和 Verizon、LG 和 Sprint 以及華為將在 2019 年初發布 5G 智能手機，蘋果預計將跟進2020 年。10隨后將部署獨立的 5G。

幾家移動網絡運營商已經公開宣布從城市中心開始部署 5G 網絡。美國處于領先地位。AT&T 于 2018 年開始推出，并將持續到 2019 年，目標是在年中提供全國覆蓋。11在第二個參加比賽的國家韓國，電信公司聯合宣布計劃在 2019 年 3 月推出 5G。12在英國，沃達豐宣布計劃在 2020 年開始推出這項技術。但是，高精度定位服務不會成為 3GPP 5G NR 規范的一部分，直到 2019 年底左右發布第 16 版，最早在 2020 年部署。

5G 背后的驅動力是多種多樣的。新應用對蜂窩網絡性能的可靠性、可用性、覆蓋范圍和延遲提出了更高的要求。移動網絡運營商正在尋求 5G 從垂直行業建立新的收入來源。芯片組供應商在 5G 中看到了通過許可知識產權來增加收入的機會。用戶將獲得他們一直要求的更高數據速率。

5G 蜂窩通信技術通過 eMBB、uRLLC 和 mMTC 三個關鍵使用場景來解決這些不同的需求，我們將在下面簡要介紹。

eMBB（增強型移動寬帶）將專用于蜂窩通信的頻譜擴展到更高的頻率，從而以更快的速度傳輸數據。

URLLC（超可靠低延遲通信）推動了自動駕駛汽車和車聯網 （V2X） 應用等新機遇。

mMTC（大規模機器類型通信）將繼續推動物聯網應用在低功耗廣域（LPWA）通信中的發展。

在這些場景中實現定位需要新的信號和新的基礎設施，以擴大可用技術的范圍13 ，包括更高頻率的更大帶寬、更多天線組合成復雜的天線陣列以及更密集的電信網絡。目標是雄心勃勃的：以低于 15 毫秒的低延遲提供亞米級位置精度。

5G 提供更大的帶寬和頻率

3GPP 目前專注于將一系列 4G LTE 定位方法引入 5G。通常，這些使用上行鏈路和下行鏈路信號來確定各個終端設備的位置，以確定它們相對于用作錨點的移動網絡天線的位置。示例是增強的 Cell-ID 和基于 TDOA 的方法。

在增強型 Cell-ID 中，終端設備監控它們與多個基站的接近程度，測量信號強度和到設備的大致傳播時間。通過結合這些觀察，可以計算出比單獨測量最近的單元中心更好的設備位置估計。

在基于 TDOA 的方法中，終端設備準確測量來自多個基站的信號的到達時間。使用基于觀察到的接收時間之間的時間差的多點定位，該設備可以比使用增強的 Cell-ID 更準確地確定其到觀察到的基站的位置。

另一類是目前尚未充分利用的側鏈，這是一種涉及設備到設備通信的 4G LTE 技術，可以允許設備確定它們相對于彼此的位置。一個明顯的用例是車對車 （V2V） 通信。

5G 的新頻譜分配對于基于蜂窩的定位來說是個好消息，特別是由于位于更高頻率的更大帶寬（除了低于 6 GHz 之外，高于 24 GHz 的毫米波）的可用性。更大的帶寬意味著可以更準確地解析信號時間（時間和帶寬之間存在反比關系），因此更大的帶寬提供了更好的解決多徑效應的能力，多徑效應是雜亂的城市和室內環境中的主要誤差源，因為傳播的信號不同路徑在不同的時間到達。

5G 向新頻率的轉移也影響了蜂窩基站的地理部署和所使用的天線技術，再次有利于基于蜂窩的定位。因為它們會產生更高的傳播損耗，較短的波長比較長的波長具有更小的范圍，這意味著移動網絡運營商將需要部署更多的基站來維持覆蓋范圍。此外，具有波束成形功能的天線陣列的引入將有助于將信號引導至最終用戶。更高密度的定向感知天線將通過測量延遲、到達角 （AoA） 和離開角 （AoD） 來提高多徑分量的分辨率，從而提高定位性能。此外，可以使用單個基站定位設備。

無處不在的高精度定位將需要混合方法

沒有一種方法能夠在所有環境條件下可靠地提供目標用例所需的準確性。正如我們所見，雖然當今基于 GNSS 的解決方案能夠可靠地提供高精度位置，但它們在室內應用中存在局限性。另一方面，基于 5G 的定位解決方案可以補充并為室內和室外場景提供準確的位置估計。

將多種蜂窩方法與非蜂窩方法（例如 GNSS、地面信標系統 （TBS）、基于 Wi-Fi 和藍牙的測量以及慣性測量 （IMU））最佳結合的混合解決方案最有希望實現這些目標。額外的冗余允許增加容錯性并提高整體解決方案的完整性，提供定量的置信度測量以配合每個位置估計。

3GPP 認識到混合定位解決方案有望實現新應用，研究范圍包括 GNSS 和衛星信號，以及 Wi-Fi 和藍牙等地面信號等。由此產生的解決方案源自 3GPP 研究項目，目標是在 2020 年第 1 季度第 16 版無線電規范中引入。

3GPP 面臨的挑戰

3GPP 為自己設定了雄心勃勃的目標，第 16 版計劃于 2020 年上半年發布。在 5G 多樣化的信號環境之上實施基于蜂窩的定位解決方案將是一項復雜的工作，同時鼓勵及時部署基礎設施以實現足夠廣泛的覆蓋范圍以吸引足夠大的用戶群。

正如我們所見，混合定位方法對于滿足新興應用的嚴格需求至關重要，特別是隨著對無處不在的高精度定位的期望成為常態。這將不可避免地需要來自不同技術的代表——無論是全球導航衛星系統、蜂窩、短程、衛星通信還是其他技術——共同努力，以產生比其組成部分總和更好的結果。

u-blox 作為 GNSS、短距離無線和蜂窩技術的領先提供商，在行業中的獨特地位使得 5G 定位方法的出現，特別是那些結合技術的方法，尤其令人興奮。混合定位建立在我們核心競爭力的融合之上，我們看到了巨大的創新潛力、新的性能水平和新的用例。當我們為加快這些不同世界的融合以提供更好、更全面的解決方案做出貢獻時，我們不禁期待結果。