面向5G移动通信网的高精度定位技术分析*

2019-11-07 11:11:17 移动通信 2019年9期

欧阳俊 陈诗军 黄晓明 陈大伟 王园园

【摘  要】如何提高室内定位精度并实现室内外定位的连续无缝覆盖是定位领域急需解决的问题,针对该问题,首先介绍了4G定位的标准与技术,并分析了其特点与不足。然后,分析了面向5G的超密集组网下的定位技术,AOA、TDOA定位技术以及上下行定位技术。最后,指出定位一体化和融合化是未来5G定位发展的趋势,进而提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构。

【关键词】5G定位技术;高精度定位;通信定位一体化;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,基于全球卫星导航系统的定位技术已经广泛应用。然而,由于建筑物等对卫星定位信号的遮挡,导致室内定位精度无法满足其高精度定位要求[1]。当前以室内定位为主要诉求点的定位技术,往往存在覆盖范围小、部署成本高等缺点[2-3]。如何提高室内定位精度并实现室内外定位的连续无缝覆盖是定位领域亟待解决的问题。针对该问题,本文首先介绍了面向4G和5G的定位技术,然后分析了5G高精度定位的技术特点;最后提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构。主要从两个方面来解决5G网络高精度定位的问题:一是基于5G技术特点提升面向5G的基础定位精度,使其能够满足较大区域的高精度定位及覆盖需求;二是融合各种异构定位技术(如Wi-Fi,TBS(Terrestrial Beacon System,地面定位系统)、带内定位以及共频带定位等)。本文提出的定位系统网络架构的主要特点,一是异构,即定位系统包含多种不同的定位技术,因为现有的任何某单一定位技术都无法同时满足室内外覆盖范围与定位精度的需求[4];二是智能融合,即该定位系统不是简单地对各种定位技术的叠加,而是智能地融合,包含融合信号测量、融合位置估计算法、融合定位决策与反馈等多个层次的融合;三是一体化,即在网络架构设计层面实现通信网与定位网的一体化,这需要在通信网的基础上增加相应的定位网元和定位管理网元以及高精度同步网元,一体化可以充分利用现有移动通信网覆盖范围大、设备兼容性高等特点。

2   面向4G的定位技術

2.1  4G系统定位标准与技术

传统的移动通信网支持定时提前量定位、增强观察时间差定位、上行到达时间差定位,但定位精度无法满足室内定位需求[5]。因此,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(Radio Technology,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 Difference of 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 Reference Signal,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。

2.2  面向4G定位的特点与不足

R14定位增强技术中,对定位至关重要的同步技术没有深入研究和标准化,定位性能评估仍然采用通信的方法,因此4G定位精度仍然没有得到明显的提高。而且,目前4G的定位主要还是基于单一的定位技术,架构层面缺乏多种定位技术间有机的和深层次的融合,缺乏一种能够将多种定位技术融合在一起的、全面的、系统的、层次化的融合定位技术架构。

3   面向5G的定位技术

针对目前面向4G移动通信网定位技术的不足,我们接下来将首先分析面向5G定位的主要技术,并指出定位一体化和融合化是未来5G定位发展的趋势,然后提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构。

3.1  面向5G定位的主要技术

(1)超密集组网下的定位技术

5G超密集组网为高精度室内定位提供了网络基础[6],但仍需解决每个射频单元的可分辨性问题。针对室内场景,目前每个RRH(Remote Radio Head,远端无线射频单元)只是复制发送基站的基带信息。因此终端不能区分是从哪个远端无线射频单元发来的定位信号,定位技术无法充分利用密集组网的覆盖优势。因此,如图1所示,需要在5G室内分布系统的每个射频单元都分配独立的PRS ID,实现定位信号的可分辨性。

(2)面向5G的TDOA和AOA定位技术

在诸多室内定位增强技术中,TDOA(Time Difference 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[7]。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。下面分别从误差模型出发,分析在5G技术下TDOA和AOA两种基础定位方法的特性。

1)TDOA技术主要原理是根据检测定位信号到达基站间的时间差列出观察方程,如式(1)所示,通过至少4个基站,建立至少三个相对时间差方程组,然后求解方程组中的坐标未知量[8]。因此,其误差主要来源是时钟误差。

(1)

其中,i∈Ω为基站编号,δi为基站i时钟误差,δue为终端UE与标准时钟的钟差,εti为测距误差。在TDOA定位中,δi可以消除掉,但δi和εti仍然是TDOA定位误差的主要来源,误差消除成为目前定位技术研究的重点和难点。εti引入因素包括多径、NLOS以及采样精度。

2)AOA技术通过角度测量获得空间直线方程,最少可以利用两个基站完成终端的定位,其误差观测方程如下(一般方程比较复杂,下面以二维简单情况为例说明误差模型,并设极轴均和坐标系轴同向):

(2)

其中,α1为相对极轴的测量角,(ρi,θi)为锚点坐标,(ρ,θ)为终端坐标。通过观测方程可以看到测距误差为:

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

其中,L为基站和终端间距离,Δθ为角度误差。当距离足够大时,位置误差是基站和终端距离的线性函数。同时αi受环境反射的影响非常大。

通过误差模型,综合比较TDOA和AOA技术,两者特点如表1所示:

通过分析TDOA和AOA两种定位技术的特点,可在5G定位中,根据不同的场景,选择最合适的定位技术,提高综合定位精度。

(3)面向5G网络上行定位和下行定位

上行定位和下行定位是4G系統的两个基本定位方式,而且上行定位曾一度被行业看好是解决室内定位的主要解决方案。上行定位的主要原理是终端发射定位信号,基站进行检测定位;下行定位的主要原理是基站发射定位信号,终端进行检测定位。两者在5G网络下的特点如表2所示。

从表2可以看出,下行定位能够充分发挥出5G系统的大带宽、低时延、大规模天线阵列等特点。基站的发射功率比终端大上千倍,借用Massive MIMO的优势,大大提高定位的覆盖距离,降低定位系统对网络密度的要求。

3.2  面向5G定位网络架构

要提供高精度的室内外一体化定位服务,除了利用5G技术提升基础定位技术的定位精度外,另外重要的一方面就是需要以5G通信网络为基础,充分利用移动网络的管道和平台优势,融合各种不同异构定位技术,实现通信和定位一体化。下面分别从一体化和融合的角度阐述面向5G的定位网络架构:

(1)一體化网络架构

一体化网络架构如图2所示,架构在通信网频带内,一体化同时支持通信网和定位网,具体来说架构具有以下特点:

1)支持高精度同步网络。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;

2)实现了通信网和定位网一体化的目标,分别设计了相应的定位网元和定位管理网元;

3)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;

4)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;

5)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;

6)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。

(2)融合技术架构

异构融合定位系统不是简单地对各种定位网络叠加,需要研究各种定位技术的智能融合技术,综合实现最优的定位性能[9]。如图3所示,智能异构融合定位技术架构具有以下特点:

1)异构一体化融合定位架构:在架构层面建立了异构一体化融合的机制,通过多种有机融合机制,综合输出最优的定位结果。

2)多层次融合:支持多种基本室内外定位技术以及补充定位技术融合;在融合手段上,支持基本定位技术结果融合、各种定位技术测试量的混合算法、预测融合等多个层面的机制以及定位决策与反馈。

3)反馈式融合定位决策机制:融合定位架构包含了实际位置结果估计和预测拟合结果之间反馈决策机制,充分利用空间、预测等智能分析方法,减少异常定位结果,提高定位的可靠性和稳定性。

4   结束语

智能化社会发展急需构建低成本、高精度的广域室内外定位服务系统。以超密集组网、超低时延、大规模阵列天线等技术为代表的5G通信技术为解决这一问题提供了新的基础。本文分析了4G/5G定位的关键技术,充分利用移动通信网的管道和平台优势以及5G技术特点,创造性地提出了一种面向5G的异构融合一体化定位系统的网络架构,为同时解决定位精度和定位覆盖两大核心问题提供了一种解决思路。

参考文献:

[1] 刘琪,陈诗军,王慧强,等. 运营商级高精度室内定位标准、系统与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2017.

[2] CONTI M, WILLEMSEN J, CRISPO B. Providing Source Location Privacy in Wireless Sensor Networks: A Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013,15(3): 1238-1280.

[3] ZENG Y, CAO J, HONG J, et al. Secure Localization and Location Verification in Wireless Sensor Networks: A Survey[J]. The Journal of Supercomputing, 2013,64(3): 685-701.

[4] ZHANG K, HU H, DAI W, et al. Indoor Localization Algorithm for Smartphones[J]. arXiv preprint arXiv:1503.07628, 2015.

[5] 刘文博. LTE室内定位技术及优化方法研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.

[6] 张平,陶运铮,张治. 5G若干关键技术评估[J]. 通信学报, 2016(37): 15-29.

[7] WITRISAL K, MEISSNER P, LEITINGER E, et al. High-Accuracy Localization for Assisted Living: 5G Systems Will Turn Multipath Channels from Foe to Friend[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2016,33(2): 59-70.

[8] Gentner C, Sand S, Dammann A. OFDM Indoor Positioning Based on TDOAs: Performance Analysis and Experimental Results[C]//ICL GNSS 2012. IEEE, 2012.

[9] 邓中亮,尹露,杨磊,等. 基于联邦卡尔曼的GPS/基站定位信息融合算法[J]. 北京邮电大学学报, 2013,36(6): 32-36. ★


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