基于5G網絡的定位技術研究與應用

吳聲彬

（中移鐵通有限公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

隨著互聯網技術的發展，加載定位方式成為必備的應用之一。當前流行的定位技術以衛星導航系統GPS為主，但全球化的GPS傳播信號時會受到建筑物、位置環境等影響，導致定位范圍有所限制。雖然可通過其他定位技術如CID、TDOA、TOA等給予補充，但還是存在定位精度低的問題。從5G技術特點出發，提出了以下3種解決辦法：超密集分布的5G網絡，上下行解耦為高精度定位提供基礎；5G網絡的編碼規范、高頻、毫米波等的使用，可實現精細測距，也為定位算法估算提供更多公式解法；多入多出MIMO技術及統一空口結構，基站及終端可裝配N個天線，使互聯的節點之間判斷具有更高分辨性，為角度測量提供基礎。

1 高精度定位技術

經過幾代移動通信系統的發展，各種定位技術的基礎依然是幾何、指紋以及視覺等。幾何定位算法是利用節點之間的鄰近關系實現距離測算后給出定位位置，主要有基于測距（Range-Based）技術的定位算法和非基于測距（Range-Free）技術的兩種算法。基于測距的定位數據獲得主要有基于信號強度（Receivde Signal Strength Indication，RSSI）、 基于到達時間（Time of Arrival，TOA）、基于到達時間 差[1]（Time Difference of Arriva，TDOA）、 基 于頻率（Frequency of Arrival，FOA）、基于到達角度（Angle of Arrival，AOA）、基于位置標識符的CID（Communication IDentifier）及基于全球定位系統GPS的A-GPS（Assisted-GPS）等典型的測距方法獲得各連接點之間的距離信息，然后進行算法的測算。非基于測距技術主要通過連通各點之間或者路由列表信息進行交互等辦法進行估算連接點的距離或者角度，主要有距離向量算法（Distance Vector-hop，DVHop）、加權質心法（Weighted Centroid）以及三角形內點測試算法（Approximate Point-in-Triangulation Test，APIT）等。

5G標準在這方面延續著基于測距各種算法的特性，特別是R16版有了極大的更新，在時間及角度上都特別加入了信號編碼。本文主要介紹通信系統中用到的RSSI、TOA、TDOA和AOA共4種基礎定位估算方法，但不進行算法的推演。

1.1 RSSI

通過未知節點與信號發射載體的信標節點信號強弱進行估算定位，主要使用發送信號強度的衰減值，估計來自多組測量單元到移動終端的距離，利用信號在空間的衰減進行多邊測量得到距離值[1]，其中以上行參考信號電平值（Uplink Reference-Signal Receive Power，UL-RSRP）和下行參考信號電平值（Downlink Reference Signal Referencepower，DL-RSRP）為參數?？紤]到復雜環境中通過信號到達時會被影響的各種因素，如多徑效應、建筑物、繞射等隨機因素，利用多路由算法進行規避，以提升定位精度。

1.2 TOA

通過未知節點與信號發射載體的信標節點的時間進行估算距離和位置，利用電磁信號傳播速率不變、距離和時間成比例進行估算。定位測量至少3個參考節點，依照未知節點與信標節點最近的位置，檢測定位信號到達信標節點的時間，列出方程式。另一種方式是發射載體發送信號時開始時間測算，在接收端收到信號后回傳信號，通過信號時間計算兩者的距離。它以上行鏈路到達時間（Uplink Relative Time of Arrival，UL-RTOA）和下行鏈路到達時間（Downlink Relative Time of Arrival，DL-RTOA）為參數，通過測量信號傳播路徑上的時間計算測量位置與基站間的距離。該算法需要雙方有一定精準的時間，即需要時間同步。

1.3 TDOA

通過未知節點與信號發射載體的信標節點在多個測量單位到達的時差估算位置。與TOA最大的不同在于TOA時間的關系，即利用時間刻度，TDOA返回信息是信號之間的時間差，如不同信號發射載體發出同頻信號到達未知節點的時間差，或者信號發射載體發射兩種速率的信號到達未知節點之間的時間差。計算TDOA估計算法主要物品的互相關性，以上行信號時間差（Uplink Reference Signal Timedifference，UL-RSTD）、下行信號時間差（Downlink Reference Signal Timedifference，DL-RSTD）和用戶接收發射時間差（UE RX-TX Time Difference）為信號參數，在相對時間差方程組或者最小平方差加權算法中求解方程組中的距離，在移動終端位置上有一個精確的時間參考和信號參照，通過接收信號在周期內延遲進行估算。

1.4 AOA

通過未知節點與信號發射載體的信標節點之間的角度方式進行位置判斷，可利用最少兩個基站完成位置的定位。通過信標節點與未知節點之間的天線陣列法計算相對方向角度，角度加節點間距離可以算出位置。主要困難點在于找到參考節點和確定距離。假設確定了測量角度，由空間直線方程找到角度方向線，在方向天線或天線陣列中來完成目標的位置，以上行到達角（Uplink Angle-of-Arrival，UL-AoA）和下行到達角（Downlink Angle-of-Arrival，DL-AoA）為基礎參數測量，節點之間形成弧形半徑，也就形成了一個位置的測量單元。需要說明的是，測量單元間不要求時間同步。

1.5 上行/下行信號

上行信號和下行信號是信標節點和未知節點之間的信號。定位系統進行交互的信號，是定位系統中最基本的交互模式。正常信標節點確認為上節點，未知節點確認為下節點。信標節點主動發出信號與未知節點進行通信就是下行信號；反之，未知節點將信號反饋信標節點就是上行信號。5G中可借助位置參考信號（Positioning Reference Signal，PRS）、探測參考信號（Sounding Reference Signal，SRS）[1]進行檢測定位。在5G系統中應用有可編輯的信號單元，上下行信號作為信號的基礎進行定位信息的交互。考慮到5G系統集中化管理且正常信標節點即基站相對固定，具有功率大、天線陣列的優勢，基本采用下行信號為主信號，可提高定位覆蓋距離，降低定位系統對網絡時刻搜索的要求。

可見，測距定位技術是根據各類型的信號通信，利用算法測算距離，然后根據距離計算坐標位置。計算距離是發射載體發出唯一強度或者不唯一而有規范的信號，未知節點根據接收信號通過雙方約定的算法計算節點間的距離并進行信號反饋，之間可通過建立特有模型進行模擬得出所需要的距離或者方向，最后在這些距離中利用算法估算具體定位位置或者方位得到定位坐標，如圖1所示。

圖1 信號流程圖

2 5G綜合定位系統

5G定位系統的處理首先將大量的5G基站建設到需要定位的區域，也可以表述為將已知的信標放到各區域，各個5G信標節點通過通信網絡形成一個具有位置功能的網絡，該網絡具備定位信息。通過各種5G信標節點探測進入區域內的未知信標各種參數（如信號、距離、角度、速度和方向等），將信號送到信號處理中心進行處理，并反饋信號處理完的結果。

目前，5G將發展成為多種應用承載的基礎網絡。定位系統可形成各種定位信號的指揮，如帶內定位、WiFi等多種定位網絡形態，而各種定位信號都可通過5G網絡進行通信，并在控制主機上進行估算定位，而定位者可簡單利用基站信號獲取定位信息。比如，通過圖2建立一套信號控制系統，該系統可對信號進行判斷[2]，從而完成對各類5G節點定位信號的處理，利用不同算法給出誤差最小的定位者位置，期間有各種5G信號的傳遞和反饋。

圖2 簡單定位信號模型圖

要提供高精度定位服務，除了利用5G技術提升基礎定位技術，還需要將基站作為信號處理單位。為獲得高精度的定位信息，可以在基站加載不同的定位系統，利用定位系統的初步處理得出估算的定位信息，然后由信息處理中心進行處理，簡化了信息處理中心和定位者的定位能力。將定位信息在5G復合基站上進行處理，可以弱化環境對定位者的要求，終端只需要處理各類型的定位信號，而計算由5G基站進行管理。不同定位系統適用于不同的場景，實現通信和定位綜合使用，并通過信息處理中心對定位進行判斷和信號處理，如圖3所示。

圖3 復合型定位系統

在既有復雜的環境中，單一的定位算法存在誤差。如果采用多種算法和定位技術的融合，即在網絡層上應用多種高精度定位技術以及補充各種定位技術，利用基本定位技術結果進行第一道判斷，而其他各種定位技術測試量進行預測的混合算法，可在不同層面反饋和判斷定位數據，得出一定范圍內的誤差定位坐標，有利于提高定位精度。這里定位信號不是各種信號的各種處理模型，而是統一的信號，只是來源不同由同一系統處理，擴大了整套定位覆蓋面。5G網絡成為一個平臺，主要處理同步、輔助和定位信號，在網絡層面建立了反饋式定位決策機制，利用不同信號來源綜合估算定位坐標，輸出最優定位結果。反饋信息也是統一信號，估算出高精度定位坐標信息由5G基站輸送到終端或者定位者，提高定位的可靠性和穩定性。利用各種定位技術及有預判能力的網絡進行結合，如圖4所示。

圖4 通信定位綜合網絡

該網絡支持通過5G通信網絡承載各種定位系統，以5G通信技術為基礎，融合各種定位信息，構建一體化的融合處理結構與模式，并在系統中提出自適用的方法，主要體現在定位網元和管理網元中。以前的一些網絡無法融合[2]，比如接口不匹配或者硬件不通，利用軟件系統實現了通信網和定位網一體化的目標，支持通信和定位覆蓋。定位設備通過增強覆蓋網絡形態存在，包括藍牙、視覺、帶內定位網、共頻帶定位技術、WiFi、BD/GNSS等多源信息的融合。各種定位網絡支持接入5G網絡，在終端或者基站中進行融合，達到了統一進行定位的功能。

利用5G基站基礎網絡在該網絡上進行各種定位系統的加載，通過3種網絡從簡易的定位系統到復合型定位系統，最后提出了一種網絡結構，將高精度定位網絡與5G通信網絡相結合。

3 結 論

隨著萬物互聯的發展，以低時延、陣列天線、密集組網等技術為代表的5G通信技術，為物物的智能互聯、工業數字化提供了基礎，而網絡通信與位置定位需求是各種應用的基礎。本文分析了定位系統和5G網絡的特點等，在雙方通信中借助移動通信網優勢和5G技術特點，提出了在5G條件下的綜合定位系統，同時解決了高精度能力和定位范圍的問題。