5G 定位：在任何地方定位 5G 设备

内容 简介3 通过定位增强 5G 连接服务4 5G 定位的优势和挑战8 结合 5G 定位与其他定位技术13 推荐的定位解决⽅案15 6G⽹络中的定位服务17 结论19 作者⼆⼗⼀ 介绍 定位市场巨⼤并持续增⻓。根据Growth Market Reports [1]，其价值在2024年为12.7亿美元，预计在2025年⾄2033年间将以28%的复合增⻓率（CGR）扩展。5G独⽴⽹络为消费者、企业和公共部⻔提供精确的定位服务，能够在室内和室外⽆缝⼯作。基于5G的解决⽅案通过⼴泛部署的蜂窝⽹络提供⾼质量的连接性和定位服务，相较于其他需要专⻔基础设施的定位解决⽅案，可以显著降低部署、管理和维护成本。 通过定位增强5G连接服务 定位正成为物流、⼯业⾃动化、先进驾驶辅助系统、数字空域服务、城市或⼯⼚的数字表⽰以及许多其他应⽤的重要关键⽀撑，为各种⽤例创造附加值。图1展⽰了分为三个类别的⽤例： •洞察，提供相对粗略的定位精度⽤于⽹络优化和城市规划的匿名交通分析等⽤例 •监测和跟踪，如资产追踪和需要中等定位精度的紧急服务等⽤例 •⾃主性，⽤于需要⾼精度的⽤例，如⾃主移动机器⼈操作、地理围栏、避免碰撞和导航 所有三类⽤例都受益于应⽤程序与实际定位机制之间的标准化接⼝——⽹络暴露应⽤程序编程接⼝ (API)。不同的⽤例类型受益于不同的 API 或 API 配置，可以看作应⽤程序与 5G ⽹络之间的接⼝层。 基于全球导航卫星系统 (GNSS) 的定位如今已被视为理所当然，并在许多⼾外区域提供⾜够的精度。然⽽，GNSS 在室内⽤例中效果不佳，⼤量 5G 设备位于室内，或者在其他与卫星视线受限的场景中，例如城市峡⾕。室内定位解决⽅案更为分散，基于超宽带 (UWB)、蓝⽛、Wi-Fi、视觉和光探测与测距 (激光雷达) 等技术。这些解决⽅案的主要缺点是它们需要额外的基础设施进⾏定位，这反过来增加了部署、管理和维护的成本。 当今的 5G 定位提供的精度和可靠性已经⾜够满⾜许多⽤例，包括室内和室外，例如在医院或⼯⼚定位设备，或定位紧急呼叫者。定位精度最终取决于基站的部署密度——基站之间的距离，以及环境中的杂乱程度以及基站的测量和计算能⼒。 5G定位的主要技术是基于⽆线电的，依赖于传输和接收点（TRP）及其在环境中的已知位置。设备或⽤⼾设备（UE）的位置未知，可以通过TRP的⽆线电传输或接收进⾏定位，在蜂窝⽹络中也称为基站。蜂窝基站的规模从⼤型⾼功率⽆线电及先进天线系统（AAS）到⽤于室内部署的低功率⽆线电。⽆线电波可以被⽤来推导其在基站的到达时间（TOA）或到达⻆度（AOA），分别⻅图3和图4，并转发⽆线电波的起源 3GPP标准中的定位⽀持⾃第16版以来不断演变： •第16版⽀持室内场景下少于三⽶的定位精度•第17版⽀持⽔平精度到20厘⽶以内•第18版增加了带宽聚合、载波相位和GNSS增强，提供了厘⽶级精度的潜⼒[2] •第19版引⼊了⼈⼯智能和机器学习（AI/ML）领域，改善了基于⽆线电的解决⽅案的⾮视距（NLOS）性能 在实践中，在拥挤环境下，90%可靠性的定位误差可期待低于三⽶，⽽在开放空间中即使存在多个误差源也能获得显著更好的性能。我们⽬前在轻度拥挤环境中的室内测试表明，90%可靠性下可以实现亚⽶级定位精度。 在⼾外场景中，当设备与配备先进天线系统的基站保持视距或近视距时，可以实现低于20⽶的定位误差，该系统能够估计上⾏⽆线信号的到达⻆。如果被定位的设备不在视距内，误差通常低于50⽶。 5G定位的主要技术组成部分如图2所⽰。被动定位服务在蜂窝⽹络中天⽣可⽤，因为可以基于常规信号强度测量确定设备的位置。此外，知道UE所在的⽹络⼩区可以提供⼀个⼤致位置，这在某些⽤例中可能⾜够好。由于⼩区⼤⼩取决于基站之间的距离，因此在密集的城市、郊区和农村地区，获得的定位精度是不同的。 ⼾外⽤例可以通过测量到达⻆（AOA）和估计到设备的距离来⽀持。如果需要更⾼的精度，可以通过基站密度增加来改善定位精度。 室内⽤例对覆盖区域的要求较⼩，并且通过诸如到达时间差等技术得以⽀持，这些技术使⽤低功耗和低复杂度的基站。 在⼾外，GNSS精度可以通过通过蜂窝⽹络添加实时动态（RTK）定位的辅助来进⼀步增强，这⼤⼤提⾼了精度。 图4. 通过估计上⾏信号的 AOA 和到设备的距离，单个基站可以确定设备的位置。AAS 在天顶和⽅位⻆上都有接收天线束的⽹格。通过确定上⾏定位信号位于哪个天线束或天线束集，基站可以计算设备相对于相关 TRP 的⻆度. 5G定位的优势和挑战 5G定位的主要优势在于连接和定位使⽤相同的基础设施和设备。这使得部署更简单，维护成本低于需要额外基础设施进⾏定位的解决⽅案，例如蓝⽛和超宽带（UWB）。 另⼀个优势是5G定位提供⽆缝的定位服务，当在室内和室外场景之间移动时，仅会出现微不⾜道的服务中断，如图5所⽰。这在物流、资产追踪、国家安全和公共安全场景等⽤例中是⾮常重要的。 许多基于传感器的定位解决⽅案，如惯性测量单元（IMU）、在⾃主导引⻋辆上的相机和激光雷达，都以本地和/或相对坐标提供定位，因此需要转换为全球坐标系统。 ⽽ 5G 基站已经位于全球坐标系统中，因此定位估计⾃然也以全球坐标提供。 虽然基于 GNSS 的定位被视为理所当然，但 GNSS 的⼲扰和欺骗威胁最近有所增加，并暴露了此解决⽅案的弱点。此外，离⼦层活动会造成⼲扰，⽽在深城市峡⾕使⽤案例中的覆盖也是⼀个问题。 5G 还可以通过单播或⼴播信息警告设备关于 GNSS 的问题。5G 定位对外部⼲扰的敏感度较低，因为它使⽤的地⾯基础设施接收信号强度显著⾼于 GNSS，使其在⼲扰和欺骗⽅⾯更安全。 在基于⽆线电的定位中，从发射器到接收器的 LOS 路径或第⼀直接路径是期望信号，⽽环境中的任何其他反射和折射如果被错误识别为 LOS 路径，可能会导致位置估计错误。在多路径环境中检测 LOS ⽆线电路径是基于⽆线电的 5G 定位的主要挑战之⼀。请注意，如果功率⾜够⼤，使得接收器能够将其与噪声区分开，则 LOS 路径可能会穿过物理物体，例如窗⼾。从实际⻆度来看，噪声底⾯以上的第⼀路径有很好的可能性成为 LOS 路径，如果是这样，进⼀步处理将确定该路径的到达时间（TOA）或到达⻆（AOA）。 图 6 描述了时空域中的 NLOS 现象。⼀个好的 LOS 检测算法可以可靠地在通道脉冲响应（CIR）中找到第⼀个 LOS 路径。请注意，在多天线和多波束系统中，将会有多个 CIR 与每个天线和/或波束相关，以供定位算法处理。 另⼀个挑战是潜在缺乏视距（LOS）链路，⽆论是在⼾外还是室内环境中。在部署旨在满⾜数据流量能⼒的区域，可能会有⾜够多的基站实现基于TDOA的定位。另⼀⽅⾯，在部署较少的区域，结合⻆度和距离测量的定位解决⽅案通常更为稳健，因为只需要在单个基站和设备之间有视距连接. 另⼀个潜在的5G定位挑战是⽤于TDOA测量的基站之间的同步。TDOA⽅法依赖于基站天线之间的精确时间同步，以抵消设备在上⾏传输时间中的时钟抖动。尽管5G⽹络可以轻松应对这种抖动（数百纳秒的数量级），以实现连接性，但定位需要约1纳秒的同步。这种⽅法⾮常适合简单的⾮⾃适应天线（AAS）⽆线电。 下表提供了不同定位技术的优缺点的⾼层次概述。 将 5G 定位与其他定位技术相结合 某些⽤例需要⾼度准确和可靠的定位，例如在⼈接近⾃主机器时，提⾼安全性的地理围栏，以及在⼯⼚⻋间或仓库中移动的⾃主引导⻋辆。对于此类⽤例，仅依靠蜂窝定位通常不是最准确和成本效益⾼的解决⽅案 然⽽，由于 5G 定位可以轻松与其他技术集成，可以通过增加额外的传感器来提⾼该解决⽅案的准确性，例如设备上的运动传感器、激光雷达或摄像头、⼯⼚、医院或矿井的楼层地图，或俯瞰停⻋场的外部摄像头 值得⼀提的是，这些传感器有⼀定的局限性，例如运动传感器漂移、光线不⾜和视觉环境中不可区分的特征。蜂窝定位可以帮助缓解这些局限性，尽管这种定位⾃⾝也存在与上述不同的重⼤挑战。因此，蜂窝定位与额外传感器的结合提供了⼀个准确且稳健的解决⽅案 来⾃这些传感器的实时数据可以通过蜂窝连接使⽤全球时间参考来传输，这可以与⽹络节点中的蜂窝定位估算相结合。将蜂窝定位与额外传感器结合的集成解决⽅案称为传感器融合，也受益于不同的补充技术 例如，视觉同时定位与地图构建（SLAM）在视觉特征较少的环境中效果不好，⽽蜂窝定位在这种环境中表现良好，但可能在杂乱的环境中存在困难 在⽤额外传感器增强蜂窝定位时，了解不同信息源的可靠性，以能够以良好的⽅式将它们结合起来是⾄关重要的。每次定位测量所附加的误差椭球体可⽤于向应⽤程序指⽰测量的完整性，考虑到与周围基站的近似距离、使⽤的带宽，以及设备是否位于基站的视距内等因素。 5G 系统还可以通过向设备提供正确的信息来改善 GNSS 性能。这个解决⽅案被称为 GNSS-RTK [10]。 推荐的定位解决⽅案 爱⽴信推荐基于5G的定位解决⽅案，原因如下： •这是⼀种集成定位和连接解决⽅案，还利⽤5G连接基础设施进⾏定位，并消除了对单独基础设施的需求。 •为不同类型的5G设备提供类似的定位性能。 •利⽤5G安全功能提供安全可靠的定位服务，⽤于⾝份保护、认证、设备安全等。 •它实现了⽆缝的室内和室外定位 •它可以很容易地与惯性测量单元和激光雷达等传感器集成和增强 •它提供全球坐标的定位信息 推荐的室外解决⽅案基于AAS⽆线电，并通过波束选择和来⾃单个基站的距离估算利⽤⻆度和范围信息 然⽽，这⼀解决⽅案也可以通过来⾃周围基站的多次测量来增强。由于这些设置允许仅使⽤⼀个基站定位设备，因此在按照连接服务进⾏部署的情况下，该解决⽅案表现良好，因为实现TDOA定位解决⽅案所需与多个基站的视距（LOS）很少发⽣。 推荐的室内解决⽅案基于时间测量，具体来说是来⾃多个基站的上⾏TDOA，⽤于三⻆测量。对于没有AAS功能的基站，这⼀解决⽅案表现很好，这些基站通常在室内使⽤，那⾥没有⻆度信息。对于本地的室内部署，其密度远⾼于室外宏⽹络。此外，设备与周围基站之间的视距链路数量通常⾜够⽤于基于TDOA的定位 尽管按需定位特定设备通常提供最佳的可⽤精度，但这限制了需要定位⽹络中所有设备的应⽤场景。这些应⽤可能与计数或列出某个区域内的所有设备或提供⼈⼝密度相关。对于这些情况，较好的解决⽅案依赖于移动⽹络中可获得的被动或基于事件的定位数据。 对于资产追踪、⾃动化机器⼈和⻋辆等需要在室内和室外进⾏定位的应⽤，推荐的定位解决⽅案依赖于设备的能⼒以及所需的定位性能。在中等精度⾜够的情况下，例如在物流中，并且设备成本⾄关重要时，5G定位是最佳选择。 利⽤室内5G基础设施进⾏定位可以与利⽤现有室外宏覆盖进⾏室外定位轻松结合，从⽽提供⽆缝的室内和室外定位服务。通过⽹络中的位置管理功能作为单⼀控制点，和在⽆线接⼊⽹络（RAN）中的关键算法，可以在较少的停机时间内进⾏软件升级以提升定位性能，并⽴即对所有设备产⽣影响。这⼀点⾄关重要，因为企业和⾏业场景中可能有数百个设备需要⽀持。 包括⾃主移动机器⼈、资产追踪、⽆⼈航空器的三维（3D）定位以及根据设施内⼈员位置激活空调的智能建筑在内的多个应⽤场景涉及具有显著不同能⼒的设备。这可能导致定位精度显著不同且未知。因此，最佳选择是利⽤不需要设备间的射频级合作的定位解决⽅案，以及设备⽆关的定位⽅法。这些⽅法依赖于上⾏通信信号和测量报告，最初是为了通信⽬的⽽设计，作为3GPP合规性测试的⼀部分。 使定位性能与设备类型⽆关也有其好处，因为在⽹络中计算设备位置可确保统⼀的定位性能，实际上与设备的能⼒和应⽤场景基本独⽴。此外，设备⽆关的基于⽹络的定位是未来兼容的，完全⽀持即将到来的3GPP 6G规范，这将通过增强精度、可靠性和降低延迟来改善蜂窝定位。 虽然基本的定位技术是实现应⽤场景的关键，但在3GPP和CAMARA中暴露的应⽤程序接⼝（API）也⾄关重要。开放移动联盟的移动定位协议