5G網絡輔助的GNSS定位性能分析

張建國，韓春娜，周鵬云（.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江杭州 3005；.諾基亞上海貝爾股份有限公司，浙江杭州 30053）

0 引言

全球定位導航系統（GNSS——Global Navigation Satellite System）是一種利用衛星進行導航、定位、測量的空間無線定位系統，其基本原理是測量出已知位置的衛星到GNSS 接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據計算出UE 的具體位置。目前在軌運行的GNSS 系統包括美國的GPS 系統、中國的北斗系統（BDS——BeiDou Navigation Satellite System）、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的伽利略系統Gallileo［1］。

GNSS定位方法存在2個部分誤差。第1部分是系統性的誤差，如衛星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等，這類誤差對每一個GNSS 接收機都是公有的，利用差分技術，可以消除系統性誤差，根據差分基準站發送的信息方式不同，差分定位分為位置差分、偽距差分和實時動態（RTK——Real-time kinematic）載波相位差分。第2部分是隨機發生的誤差，如接收機的內部噪聲、通道延遲、多徑效應等，這部分誤差無法系統性消除。

5G網絡具有大帶寬、低時延的特性，當GNSS通過5G 網絡與GNSS 接收機交互信息后，5G 網絡可以輔助GNSS 接收機減少初始化時間、增加接收機靈敏度、減少功耗和提高定位精度。

1 5G網絡輔助的GNSS定位原理

5G 網絡輔助的GNSS 定位有2 種工作模式，基于UE（UE-Based）的GNSS 定位和UE 輔助（UE-Assisted）的GNSS定位。

對于基于UE 的GNSS 定位，UE 中包括完整的GNSS 接收機，位置計算在GNSS 接收機中進行，通過5G 網絡傳輸給GNSS 接收機的信息分為2 類。第一類是星歷和時鐘模型、歷書等信息，這類信息可以減少GNSS 接收機的初始化時間、增加GNSS 接收機靈敏度，因此顯著提高測量速度，使得GNSS 接收機能夠捕獲和跟蹤較弱的衛星信號，在較低SNR 條件下也能工作，這類信息的有效時間通常是2～4 h［2］。第2 類是RTK 改正數據和GNSS 物理模式，RTK 改正數據包括RTK 參考站信息、RTK 輔助站數據、RTK 觀測值、RTK公共觀測信息、RTK MAC（Master Auxiliary Concept）修正差、RTK 殘余等，GNSS 物理模式包括狀態空間表示（SSR——State Space Representation）軌道修正、SSR 時鐘改正、SSR 碼字偏差，這類信息與GNSS 接收機的測量信息相結合，可以大幅提高UE 的定位精度，這類信息的有效時間通常是幾十秒到幾分鐘［3］。基于UE 的GNSS 定位的優點是通過5G 網絡傳輸的數據較少，且定位時延較小，缺點是UE 需要增加相應的存儲器和計算能力，尤其是RTK 定位，UE 需要增加專用的差分定位模塊，增加了UE成本［4］。

對于UE 輔助的GNSS 定位，GNSS 接收機的主要功能在網絡側，UE 位置的計算在定位服務中心進行。定位服務中心可以把時間、可見的衛星列表、衛星信號的多普勒和碼相位以及搜索窗口，通過5G網絡傳輸給GNSS 接收機。GNSS 接收機把測量到的碼相位和多普勒測量、（可選的）載波相位測量，通過5G 網絡上報給定位服務中心。定位服務中心根據RTK 改正數據以及UE 提供的測量數據，計算出UE 的精確位置，然后再通過5G 網絡把精確的位置信息反饋給UE。UE 輔助的GNSS 定位的優點是把復雜的數據處理功能交給定位服務中心完成，GNSS 接收機不需要增加額外的計算功能，因此對UE 的要求較低，缺點是時延較大，且上傳的數據量較大。

5G 網絡輔助的GNSS 定位原理如圖1 所示。其中，基準站接收機負責采集GNSS 衛星的測量數據并傳送至定位服務中心，定位服務中心用于實時接收基準站接收機的測量數據，進行數據質量分析、處理、評價，提供不同精度等級要求的改正數據，定位服務中心也可以接收GNSS 接收機上報的原始測量數據，完成特定UE的差分定位解算。

圖1 5G網絡輔助的GNSS定位原理

傳統的無線通信網絡由于速率較低、時延較大，可以滿足基于UE 的GNSS 定位，對于UE 輔助的GNSS定位，只能為靜止或者低速移動的UE 提供高精度定位，不能為高速移動的UE提供高精度定位，5G網絡具有低時延特性，使得UE 輔助的GNSS 定位為高速移動的UE 提供高精度定位成為可能。本文接下來從定位精度和5G 無線網絡負荷2 個方面對UE 輔助的GNSS定位性能進行分析。

2 UE輔助的GNSS定位精度分析

GNSS 的定位精度與定位算法、基準站接收機的位置和數量、RTK 改正數據和GNSS 接收機測量數據的發送頻率等都有關系。以GPS 定位為例，民用GPS的定位精度是10～30 m，位置差分、偽距差分的定位精度可以達到米級，RTK 載波相位差分的定位精度可以達到厘米級，本文接下來只考慮由于網絡時延造成的定位誤差。

GNSS接收機的測量數據通過gNB、AMF發送至定位服務中心，定位服務中心完成差分定位解算后，再通過AMF、gNB 把精確的位置信息發送給GNSS 接收機，總的環回時延由3個部分組成，分別是傳輸網絡的環回時延、設備的處理時間和空口的環回時延。

傳輸網絡的環回時延和GNSS 接收機到定位服務中心的光纖長度有關，GNSS 接收機到定位服務中心的光纖長度是10 km、100 km 和1 000 km 時，傳輸網絡的環回時延分別是0.1 ms、1 ms和10 ms［5］。

設備的處理時間包括定位服務中心、gNB 和AMF的處理時間，定位服務中心的處理時間通常為2 ms，gNB 和AMF 的單次處理時間通常是0.5 ms，因此總的設備處理時間是2+4×0.5 ms=4 ms。

對于eMBB，空口的環回時延與雙工方式（FDD 或TDD）、子載波間隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）、調度請求（SR——Scheduling Request）周期、數據到達時刻等有關，假設SR 周期=5 ms，對于TDD SCS=30 kHz，平均環回時延是7.75 ms，對于FDD SCS=15 kHz，平均環回時延是10.5 ms；使用預調度技術，對于TDD SCS=30 kHz，平均環回時延是3.3 ms（按SPS=1 ms計算），對于FDD SCS=15 kHz，平均環回時延是4.5 ms（按SPS=1 ms 計算）。對于uRLLC，通過mini-slot、上行免授權、下行資源搶占等技術，平均環回時延可以降低到1 ms以下［6］。

假設GNSS 接收機到定位服務中心的光纖長度是100 km，則傳輸網絡的環回時延是1 ms，eMBB TDD SCS=30 kHz、eMBB FDD SCS=15 kHz 和uRLLC 的平均環回時延分別是7.75 ms、10.5 ms 和1 ms，則總的環回時延分別是1+4+7.75=12.75 ms（eMBB TDD SCS=30 kHz）、1+4+10.5=15.5 ms（eMBB FDD SCS=15 kHz）和1+4+1=6 ms（uRLLC）。

假設UE 的移動速度分別是60 km/h、120 km/h、200 km/h，則由于網絡時延造成的定位誤差如表1 所示。

從表1可以看出，在不考慮GNSS定位系統本身定位誤差的情況下，由于網絡時延造成的定位誤差均在1 m 以下，滿足3GPP 規范和輔助駕駛對高速移動UE的定位精度要求［7-8］。需要說明的是，表1 計算的定位誤差是由于網絡時延造成的最大定位誤差，實際上定位服務中心可結合UE 的移動速度、移動方向、網絡時延和高精度地圖等數據，對UE 的移動位置進行預測，因此由于網絡時延造成的定位誤差可以遠遠小于表1中給出的值。此外，還可以通過低時延的網絡結構，如MEC 技術等，減少總的環回時延，進一步提高定位精度。

表1 UE輔助的GNSS定位誤差

3 5G無線網絡負荷分析

對于下行方向，定位服務中心通過5G 網絡向GNSS 接收機傳輸的信息的有效期通常是幾十秒到幾分鐘，定位服務中心通過5G網絡傳輸的位置信息雖然較為頻繁，但是數據量較小，因此UE 輔助的GNSS 定位不會給5G 網絡的下行帶來嚴重的負擔。對于上行方向，通過5G 網絡傳輸的是GNSS 接收機的原始測量數據，這類數據通常較大，因此會給5G 網絡的上行造成較大的負擔，本文接下來主要分析上行方向的無線網絡負荷。

GNSS 接收機上報的原始測量數據的大小與下列因素有關［9］。

a）GNSS 星座數量：也即GNSS 接收機跟蹤測量的是哪一個GNSS 的信號，本文假定GNSS 接收機跟蹤測量的是BDS和GPS。

b）GNSS 衛星信號數量NSignal：對于每個GNSS，GNSS 接收機可以上報最多8 個GNSS 信號的測量數據。對于BDS，共計有9 種GNSS 信號類型，GNSS 接收機通常跟蹤測量3 個信號，如B1 I、B2 I、B3 I；對于GPS，共計有18 種GNSS 信號類型，GNSS 接收機通常跟蹤測量4 個信號，如L1 C/A、L1 P、L2 P、L5 或L1 C/A、L2 Z-tracking、L2C、L5。

c）GNSS 衛星數量NSat：也即GNSS 接收機跟蹤測量的衛星數量，對于BDS 和GPS，GNSS 接收機可以分別同時跟蹤14 個衛星，在空曠地帶的絕大部分地區，能至少分別跟蹤9 顆衛星，對于BDS 和GPS，本文假定GNSS接收機分別上報10個衛星的測量數據。

d）GNSS 衛星測量數據：對于每個衛星的每類信號，需要上報的測量數據有衛星地址（8 bit）、衛星信號的載干比（8 bit）、多徑指示（2 bit）、載波質量指示（2 bit）、碼相位（21 bit）、整數相位（7 bit）、碼相位RMS 誤差（8 bit）、多普勒測量（16 bit）。除此之外，為了提供高精度定位，根據定位服務中心的請求，GNSS 接收機還可以上報載波相位測量，載波相位測量也稱為累加的三角距離（ADR——Accumulated Delta Range），ADR需要25～41 bit。因此GNSS 衛星測量數據NMeas共有113 bit，如果不上報ADR，則衛星測量數據NMeas共有72 bit。

對于每個GNSS，GNSS 接收機一次上報的測量數據NReport可以按照公式（1）計算。

其中，X是LTE 定位協議（LPP——LTE Positioning Protocol）層、NAS層、RRC層、PDCP層、RLC層、MAC層等開銷信息的比例，通常是20～30%。

假設開銷信息的比例是25%，對于BDS和GPS，一次上報的測量數據分別是3×10×113×（1+25%）=4 238 bit、4×10×113×（1+25%）=5 650 bit，如果BDS 和GPS 的測量數據同時上報，則一次上報的測量數據是9 888 bit。

假設GNSS 接收機上報測量數據的頻率是1 Hz，則上報BDS、上報GPS、同時上報BDS 和GPS 的測量數據的速率分別是4.14 kbit/s、5.52 kbit/s 和9.66 kbit/s；假設GNSS 接收機上報測量數據的頻率是10 Hz，則上報BDS、上報GPS、同時上報BDS 和GPS 的測量數據的速率分別是41.38 kbit/s、55.18 kbit/s和96.56 kbit/s.

針對上面計算的5G 無線網絡負荷，有3 點需要說明。

a）對于eMBB，一次傳輸幾千bit 不會對上行造成太大的負擔，但是對于uRLLC，則會對上行造成較大的負擔，因為為了保證低時延和高可靠性，uRLLC 單次傳輸的數據包較小，較大的數據包需要分割成多個較小的數據包后分別傳輸，相應的增加了空口時延。

b）為了減少UE 上報的測量數據，UE 可以只上報信號最好的4 顆衛星的測量值，并減少上報的衛星信號數量，如對于每個GNSS，只上報2 個衛星信號；另外，在不需要高精度定位的場景下，UE 可以不報告ADR，通過以上措施，UE 上報的測量數據可以減少80%以上。

c）根據目前的3GPP 規范，GNSS 接收機的上報頻率較低，當UE 高速移動時，該上報頻率滿足不了高精度定位要求，因此，為了滿足高速移動UE 的高精度定位需求，需要提高上報頻率或者采用事件觸發的上報方式［9］。

4 結束語

除了通過輔助GNSS，為UE 提供高精度定位外，5G 網絡也可以利用自身的無線信號，在不依賴GNSS的情況下，通過可觀察到達時間差（OTDOA——Observed Time Difference Of Arrival）、增強小區ID 定位（E-CID——Enhanced Cell ID）等技術為UE 提供定位，雖然其提供的定位精度還達不到GNSS 的水平，但是5G 信號具有大帶寬、高SINR 的優勢，其提供的定位精度顯著高于傳統的無線網絡，基于5G網絡的定位具有廣闊的應用空間。