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5G定位技术原理与应用场景

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5G高精度定位服务不仅适用于应急,还可以支持大量的个人业务,包括室外和室内场景,可以在交通道路、隧道、地下停车场或室内环境中支持高精度定位服务。在这些区域中,由于卫星信号的覆盖范围较小,基于5G网络的高精度定位服务变得尤为重要。
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引言

随着5G网络建设的不断推进,行业客户对5G功能的需求日益多样,其中对位置的精确描述已经成为各行业的基本要求,应急救援、车联网、智能制造和智慧物流等应用场景对定位能力都提出了更高的要求。定位能力是5G核心能力之一,R16协议提出了一系列新型定位方法,具有亚米级的定位精度,极大拓展了定位技术的应用场景。作为技术领先的5G基站方案提供商,华安联大持续对5G定位等前沿技术进行研究布局。

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5G 定位技术的演化

在通信定位系统的长期演化过程中,R9到R11协议的通信系统定位精度不高,一般在50~150m,主要基于时间测量的观测到达时间差(OTDOA)、UL-TDOA 和 小区标识(CID)。从R12到R14协议的过程中,定位精度达到10 ~100 m,给出了多种定位技术融合的方案。直到R15与R16协议,建设性地提出了5G利用多输入多输出(MIMO)的多波束特性来进行定位增强,同时还定义了基于蜂窝小区的RTT、DL TDOA、到达角(AOA)、离开角(AOD)等定位技术,使定位精度达到3~10 m,并在此基础上不断演进,R17协议将进一步把室内定位的精度提升到厘米级,以满足特定垂直行业应用场景的需求。
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R16定义的5G定位技术

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在R16协议中,3GPP明确了5G定位的定位精度和端到端定位时延:水平维和垂直维的定位精度均小于3 m(区域内80%用户),端到端时延小于1s。针对这一精度和时延,3GPP采用的主要定位技术包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA和Multi-RTT。

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5G定位采用的技术方法

·下行到达时间差(DL-TDOA)

终端测量两个基站发送的下行定位参考信号PRS的到达时间差RSTD,上报位置服务器,位置服务器根据多个下行参考信号时间差 ,从而获得终端位置估计。

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·上行到达时间差(UL-TDOA)
原理与DL-TDOA类似,但这是基于上行信号的定位技术,基站根据不同位置的多个TRP所接收的增强的探测参考信号SRS,测量上行相对到达时间差UL RTOA,上报位置服务器,位置服务器判断终端的位置。

 

·下行离开角(DL-AoD)

终端测量并上报下行参考信号波束的接收功率(即每个基站的波束的DL RSRP),根据发送波束方向来估计终端的位置角度,根据多个基站估计值,位置服务器解方程组,从而获得终端位置。

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·上行到达角(UL-AoA)

原理与DL-AoD类似,但这是基于上行信号的定位技术,多个基站测量终端上行信号的到达角度,上报位置服务器,根据多个基站测量的到达角度,位置服务器解方程组,从而获得终端位置。

·多站往返时间 (Multi-RTT)
终端与至少三个基站互发参考信号,基站和终端分别计算各自的Rx-Tx时间差,两者之和即返程时延RTT,UE-TRP距离为0.5RTT*光速,三个UE-TRP的交点即为终端位置,Rx-Tx信息汇总到位置服务器,从而获得终端位置估计。
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·增强小区ID (E-CID)
终端对基站的参考信号进行无线测量,将RSRP/RSRQ的测量指标报告位置服务器。位置服务器根据无线测量指标的路损估计RTT,结合基站天线TRP的位置,通过多圆交点或波束方向与圆交点的方式定位终端。该方案的优势在于不需引进新的参考信号,但可能会引发定位精度不够。

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5G定位与其他定位技术的对比

与GNSS定位相比,5G定位即可以通过宏基站实现室外定位,也可以通过室内小基站实现室内定位,在为用户提供高质量无线接入的同时,实现室内外定位同步。5G定位大幅拓展了定位场景,为大量的室内定位需求提供了新选择。

与蓝牙、UWB等信标站定位相比,5G定位不需要部署大量的信标站,只需部署少量的5G基站即可实现定位,未来还将获得与信标站定位近似的精度和位置更新周期。5G定位减小了部署难度,并大幅压缩部署周期。

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5G定位的应用场景

根据3GPP R16协议中,关于NR定位用例和要求的规范,5G定位的应用场景大致可以分为以下三类:

 

紧急定位

 

5G定位在紧急救援中发挥着重要的作用,在应急服务中,用户能够通过联系公共安全应答点(PSAP)寻求帮助,并要求准确的定位信息,以便及时提供援助。尤其在地下矿井等特殊场所,高精度无线定位能够精准掌握遇险人员位置,并实时掌控救援力量的分布状况,从而灵活部署救援工作,提高救援效率。
此外,在火灾、医疗紧急救助等场合,5G紧急定位技术可以快速定位报警人或救援人员的位置,为救援行动提供及时而准确的信息,有助于保障人民生命财产安全。
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个人定位

5G高精度定位服务不仅适用于应急,还可以支持大量的个人业务,包括室外和室内场景,可以在交通道路、隧道、地下停车场或室内环境中支持高精度定位服务。在这些区域中,由于卫星信号的覆盖范围较小,基于5G网络的高精度定位服务变得尤为重要。

除了以上信号覆盖弱的场景,5G网络的高精度定位还可应用在定位共享单车位置、设置停车电子围栏、基于用户位置启用AR应用、按用户位置穿戴设备省电策略、位置广告、交通流量分析等。这些业务的实现都依赖于高精度的定位服务提供稳定可靠的网络支持。

 

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垂直行业

5G定位技术适用于各种垂直行业,如工业、交通、港口、医疗、物流等。在工业领域,5G高精度无线定位技术可以大幅提升管理效率和作业效率,实现智能仓储、生产过程追踪、自动货物搬运与加工,达到降本增效的目的;在人流密集场所,如机场(车站)、商场、医院等,5G室内高精度定位技术可以提供高效的引导服务和动态分析手段,帮助管理者提升运营效率,有助于推动各行业的智能化和数字化转型。

 

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总结展望

随着5G网络建设的深化,更加精准的5G定位必将成为5G业务和应用的催化剂,为智慧城市建设和各行各业带来无限可能。华安联大将持续投入5G定位技术的探索和创新,紧跟行业应用落地,赋能智能化城市生态!
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