5G無線定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢(shì)

焦慧穎，王志勤，杜瀅，沈霞

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

移動(dòng)定位業(yè)務(wù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)采用特定的定位技術(shù)獲取終端的地理位置信息，用于緊急救援、導(dǎo)航和基于位置的管理等業(yè)務(wù)。移動(dòng)通信系統(tǒng)利用外部輔助信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位，如輔助全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（A-GNSS,Assisted Global Navigation Satellite System）定位；利用自定義的定位信號(hào)，支持多種定位方式，如下行到達(dá)時(shí)間觀測(cè)差定位（OTDOA,Observed Time Difference of Arrival）、基于定時(shí)提前量（TA,Timing Advance）和來波方向（AoA,Angle of Arrival）定位以及上行到達(dá)時(shí)間差（UTDOA,Uplink Time Difference Of Arrival）定位方法。

相比于4G，5G系統(tǒng)的大帶寬和大規(guī)模天線設(shè)計(jì)能提供更高精度的定位能力，實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)定位。5G系統(tǒng)支持百兆級(jí)帶寬，大帶寬對(duì)應(yīng)更低采樣間隔，其可測(cè)量最小距離差異的時(shí)間分辨率越高，實(shí)現(xiàn)更高定位精度，100 MHz 5G系統(tǒng)的定位精度為米級(jí)，帶寬為400 MHz的5G毫米波系統(tǒng)達(dá)到亞米級(jí)。5G多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）利用多根發(fā)射天線和接收天線的組合提供更多的空間自由度，隨著空間樣本數(shù)增加，到達(dá)角和離開角度的信息增加，角度的分辨率隨之提升，能夠判別更精準(zhǔn)的地理位置，此外，大量發(fā)送天線能夠獲得更窄的波束，進(jìn)一步提高離開角的分辨率。

3GPP Rel-15 NR定義了NR定位協(xié)議A（NRPPA），沒有標(biāo)準(zhǔn)化基于NR的無線定位技術(shù)。在Rel-16階段研究了基于NR的定位技術(shù)，定義新的定位參考信號(hào)和終端/基站（UE/gNB）測(cè)量，更新定位的信令協(xié)議和過程。下面詳細(xì)介紹5G定位技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)情況。

1 5G定位協(xié)議架構(gòu)

如圖1所示，5G定位架構(gòu)包括終端、基站和定位管理（LMF）等功能模塊，其中終端和定位管理功能模塊之間沿用了4G系統(tǒng)的LTE定位協(xié)議（LPP），終端根據(jù)定位請(qǐng)求獲取位置測(cè)量信息，在本地計(jì)算位置或?qū)y(cè)量信息轉(zhuǎn)發(fā)給定位管理功能模塊進(jìn)行位置計(jì)算，定位管理功能模塊和基站之間采用了NR專用的NR定位協(xié)議A（NRPPA），基站側(cè)向定位管理功能模塊提供定位相關(guān)信息，并在定位管理功能模塊和目標(biāo)終端傳輸定位信息。

圖1 NR無線定位協(xié)議架構(gòu)

2 下行定位參考信號(hào)

NR定義了新的下行定位參考信號(hào)（DL PRS,Downlink Positioning Reference Signal），用于終端對(duì)時(shí)間差和角度的測(cè)量，獲得定位信息。相比LTE的PRS信號(hào)，5G DL PRS具有以下特點(diǎn)：

（1）DL PRS采用了Gold序列，序列個(gè)數(shù)是4 096，用于保持下行多TRP之間的干擾隨機(jī)化和良好的序列互相關(guān)特性，以支持在不同網(wǎng)絡(luò)部署情況下，UE能夠檢測(cè)到多個(gè)TRP的DL PRS，便于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位。

（2）DL PRS支持發(fā)送波束掃描和接收波束掃描，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)不同波束上DL PRS資源的合并處理，獲得合并增益，提升定位性能。

（3）支持靈活的DL PRS的時(shí)頻域資源配置，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的定位精度，避免資源浪費(fèi)。

5G定義下行定位DL PRS資源集合，用于指示同一個(gè)發(fā)送點(diǎn)（TRP）的一組DL PRS資源，一個(gè)DL PRS資源為一個(gè)TRP的一組下行時(shí)頻資源，每個(gè)DL PRS資源具有一個(gè)DL PRS資源ID。NR支持DL PRS的多波束掃描操作，一個(gè)DL PRS資源集合包含的每個(gè)DL PRS資源分別采用不同的下行波束發(fā)送，每個(gè)終端接收最優(yōu)下行發(fā)送波束的DL PRS資源，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量上報(bào)。如圖2所示。

圖2 DL PRS發(fā)送的配置結(jié)構(gòu)

DL PRS資源在時(shí)域上為多個(gè)連續(xù)的OFDM符號(hào)，頻域上占用多個(gè)連續(xù)的PRB，并且以梳狀的方式支持多個(gè)不同DL PRS資源在不同的子載波上復(fù)用。

DL PRS序列為偽隨機(jī)序列，其生成序列的初始值是PRS序列ID、時(shí)隙索引和符號(hào)索引的函數(shù)。通過高層配置DL PRS的頻域起始PRB和帶寬，其中起始PRB配置參數(shù)的粒度是一個(gè)PRB，帶寬配置的粒度是4個(gè)PRBs，可配置的最小帶寬為24個(gè)PRBs，最大帶寬為272個(gè)PRBs，一個(gè)DL PRS資源集合中的所有PRS資源有相同的起始PRB和帶寬。

DL PRS資源的資源單元（RE,Resource Element）的圖樣在時(shí)域上是交錯(cuò)的。首先配置DL PRS資源中的第一個(gè)符號(hào)頻率域的RE偏置，接下來符號(hào)的相對(duì)RE偏置為相對(duì)于第一個(gè)符號(hào)的頻率域RE的偏置，具體相對(duì)RE偏置的數(shù)值由DL PRS資源占用的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)、DLPRS資源的梳狀值（comb size）和DL PRS符號(hào)索引決定，其中DL PRS資源的OFDM符號(hào)個(gè)數(shù)可以靈活配置為2、4、6和12符號(hào)，支持梳狀值為2、4、6和12。

DL PRS是周期性發(fā)送的，具體支持的周期值為：2μ{4,5,8,10,16,20,32,40,64,80,160,320,640,1 280,2 560,5 120,10 240} 個(gè)時(shí)隙，其中μ=0,1,2,3分別對(duì)應(yīng)于15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz子載波間隔，一個(gè)DL PRS資源集合中的所有PRS資源有相同的周期。

DL PRS定義兩類時(shí)間偏置，用于指示DL PRS資源集到時(shí)隙的映射，以及DL PRS資源到物理資源的映射。一類是基于DL PRS資源集的，為該發(fā)送TRP的DL PRS資源集相對(duì)于參考TRP的SFN0時(shí)隙0的偏置，具體配置DL-PRS-SFN0-Offset為對(duì)應(yīng)TRP的SFN0時(shí)隙0相對(duì)參考服務(wù)TRP的時(shí)間偏置，DL-PRS-ResourceSetSlotOffset以及DL-PRS-ResourceSymbolOffset為對(duì)應(yīng)TRP所配置的相對(duì)資源集合的SFN時(shí)隙0的時(shí)隙偏置和符號(hào)偏置，也就是資源集合中第一個(gè)下行PRS資源的時(shí)隙和符號(hào)索引。另一類為基于DL PRS資源的，為該DL PRS資源相對(duì)于DL PRS資源集所在時(shí)隙和起始符號(hào)的偏置，配置DLPRS-ResourceSlotOffset為DL PRS資源相對(duì)于DL-PRSResourceSetSlotOffset的起始時(shí)隙偏置，配置DL-PRSResourceSymbolOffset為DL PRS資源在起始時(shí)隙內(nèi)的起始符號(hào)偏移。

DL PRS資源靜默標(biāo)識(shí)TRP不傳輸該P(yáng)RS資源，靜默的目的是降低多個(gè)TRP在相同的時(shí)頻資源上發(fā)送的PRS之間的干擾。DL PRS采用位圖的方式配置DL PRS資源集合的靜默方式，支持以下兩種方式：

圖3 DL PRS資源分配

1）第一種方式是位圖中的每個(gè)比特對(duì)應(yīng)DL PRS資源集合中配置的連續(xù)發(fā)送時(shí)刻，位圖指示的要靜默的一個(gè)DL PRS資源集合內(nèi)的所有DL PRS資源都是靜默的。

2）第二種方式是位圖中的每個(gè)比特對(duì)應(yīng)DL PRS資源的單個(gè)重復(fù)索引。

基站可以配置終端一種指示方式或者兩種指示方式，如果配置了兩種指示方式，將兩種指示方式的位圖進(jìn)行邏輯與操作，也就是只有兩種方式都沒有靜默的DL PRS資源集才能正常發(fā)送。

3 上行定位參考信號(hào)

3GPP Rel-16增強(qiáng)上行探測(cè)信號(hào)SRS（Sounding Reference Signal），實(shí)現(xiàn)上行定位功能。定位功能需要服務(wù)基站和鄰基站均接收到UE發(fā)送的SRS，并且為了提升定位性能，相比NR Rel-15 SRS信號(hào)，定位 SRS信號(hào)具有以下特點(diǎn)：

（1）定位SRS資源可以配置更多的OFDM符號(hào)，利于提升SRS定位信號(hào)的覆蓋范圍及鄰基站的接收質(zhì)量。

（2）為了減少不同UE發(fā)送的定位SRS信號(hào)間碰撞及上行干擾，定位SRS的序列標(biāo)識(shí)數(shù)量比NR SRS的序列標(biāo)識(shí)增加了64倍。

（3）定位SRS信號(hào)的頻域梳狀配置可以配成8，定位SRS信號(hào)可以借用不包含定位信號(hào)的功率，獲得功率譜密度提升，以提升SRS定位信號(hào)的接收SINR。

（4）SRS定位信號(hào)采用了交錯(cuò)圖案的設(shè)計(jì)，以便降低序列檢測(cè)時(shí)相關(guān)運(yùn)算所產(chǎn)生的旁瓣值。

定位SRS資源的發(fā)送周期和時(shí)隙偏置與Rel-15的SRS一致，定位SRS資源所支持的OFDM符號(hào)數(shù)量是連續(xù)可配置的，配置數(shù)值為｛1,2,4,8,12｝，時(shí)域起始位置可以是時(shí)隙中的任意位置。SRS的梳狀大小擴(kuò)展到集合｛2,4,8｝，當(dāng)配置梳狀大小為8的時(shí)候，循環(huán)移位數(shù)量為6。

定位SRS資源集合中最多有16個(gè)SRS資源，每個(gè)帶寬部分（BWP）最多可以配置16個(gè)定位資源集合，終端所能支持的定位SRS資源集合的最大數(shù)量取決于終端能力。

采用一個(gè)端口的SRS用于定位，定位SRS不支持頻域跳變。SRS資源的資源粒子圖樣是交錯(cuò)的，不同符號(hào)采用不同的RE偏置，對(duì)于一組包含梳狀大小和SRS符號(hào)的參數(shù)，有唯一的資源粒子圖樣。定位SRS還支持半靜態(tài)和非周期發(fā)送，其中半靜態(tài)定位SRS通過MAC CE激活/去激活，終端在服務(wù)小區(qū)和鄰區(qū)接收SRS用于定位，非周期定位SRS重用Rel-15的下行控制信令觸發(fā)發(fā)送。

4 NR定位測(cè)量和相關(guān)流程

終端測(cè)量PRS，獲得下行定位測(cè)量參量，包括DL RSTD、終端收發(fā)時(shí)間差和DL PRS-RSRP測(cè)量，終端將這些測(cè)量參量上報(bào)給基站，實(shí)現(xiàn)定位，具體定義如下：

（1）下行參考信號(hào)時(shí)間差（DL RSTD）定義為定位基站和參考定位基站之間的相對(duì)時(shí)間差。

（2）終端收發(fā)時(shí)間差定義為終端從定位基站接收下行子幀（第一個(gè)檢測(cè)路徑）的時(shí)間與最接近該時(shí)間的終端發(fā)送上行子幀的時(shí)間差。

（3）下行PRS參考信號(hào)接收功率（DL PRSRSRP）定義為在測(cè)量頻率帶寬內(nèi)測(cè)量DL PRS RE的線性平均功率。

基站測(cè)量上行定位SRS信號(hào)，獲得上行定位測(cè)量，包括UL RTOA、基站收發(fā)時(shí)間差、UL AoA和UL SRS RSRP測(cè)量，具體定義如下：

（1）上行相對(duì)到達(dá)時(shí)間（UL RTOA）是相對(duì)配置的參考時(shí)間，定位基站接收到的包含SRS起始子幀的時(shí)間。

（2）基站收發(fā)時(shí)間差定義為終端關(guān)聯(lián)的接收包含SRS的上行子幀（第一個(gè)檢測(cè)路徑）的時(shí)間與最接近該時(shí)間的定位基站下行子幀的時(shí)間差。

（3）上行到達(dá)角（UL AoA）定義為終端相對(duì)參考方向估計(jì)的水平和垂直角度。

（4）上行SRS接收功率（UL SRS-RSRP) 定義為SRS RE的線性平均功率值，在測(cè)量時(shí)刻所配置的SRS RE上測(cè)量。

基站和終端測(cè)量的精度相同，具體精度通過定義測(cè)量的不確定性數(shù)值，以及該數(shù)值域的精度等級(jí)來描述。角度測(cè)量的上報(bào)精度為0.1度，時(shí)間測(cè)量上報(bào)的精度定義為T=Tc2k，這里k是一個(gè)可配置參數(shù)。

5 5G定位和其它定位技術(shù)的融合

5G定位技術(shù)將為垂直行業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供位置服務(wù)能力，相比于基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)只能用于室外開闊場(chǎng)景，5G定位能很好地解決室內(nèi)，如產(chǎn)線、倉(cāng)儲(chǔ)等場(chǎng)景的高精度定位需求。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與地基增強(qiáng)系統(tǒng)所構(gòu)建的高精度定位能力可覆蓋較廣的區(qū)域，提供米級(jí)定位精度，于手機(jī)定位和車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用。但衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著因局域遮擋而導(dǎo)致的局部定位盲點(diǎn)區(qū)域，可以與規(guī)模部署的5G網(wǎng)絡(luò)互相補(bǔ)充，提供廣范圍定位能力。

此外，超寬帶（UWB）定位技術(shù)是新興的室內(nèi)定位應(yīng)用技術(shù)。UWB信號(hào)占用幾百兆頻譜，使用納秒級(jí)的非正弦窄脈沖傳輸信息，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，該技術(shù)對(duì)信道衰落不敏感，難以截獲，定位精度達(dá)到10厘米級(jí)，目前已應(yīng)用于智能工廠、智慧城市等場(chǎng)景，并有5G+UWB的方案，解決工業(yè)應(yīng)用的通信、定位和融合應(yīng)用問題。相比于5G定位能力，UWB的覆蓋距離短，信號(hào)容易被遮擋。

6 5G定位的發(fā)展趨勢(shì)

5G業(yè)務(wù)尤其是垂直行業(yè)對(duì)定位精度要求很高，例如在工廠車間快速地找到組裝零件等移動(dòng)物體，類似的需求也存在于運(yùn)輸物流行業(yè)。除此以外，新興的自主應(yīng)用（例如自動(dòng)駕駛）也很大程度上依賴于高精度定位，因此除了要提高定位精度以外，還需要提高定位完整和可靠性，完整性是衡量導(dǎo)航系統(tǒng)提供的信息是否正確的信任程度，包括系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)向用戶接收器及時(shí)發(fā)出警告的能力，而可靠性包括確定位置相關(guān)數(shù)據(jù)的可靠性以及不確定性或置信度的需求。

為了滿足新應(yīng)用和垂直行業(yè)帶來的更高精度需求，3GPP Rel-17設(shè)立了高精度定位項(xiàng)目[4-5]，對(duì)于通用的商業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)1米的定位精度；對(duì)于垂直應(yīng)用實(shí)現(xiàn)0.2米的定位精度；同時(shí)提供定位完整性保護(hù)，完整性用于衡量導(dǎo)航系統(tǒng)提供信息正確與否的信任程度。R17具體標(biāo)準(zhǔn)化方向包含提升定位精度、降低定位時(shí)延、降低定位終端功耗等。

（1）定位精度增強(qiáng)技術(shù)：通過優(yōu)化差分定位等算法降低終端和基站收發(fā)的時(shí)延，修正多徑信號(hào)，提高上行到達(dá)角的和下行離開角的測(cè)量精度，將定位精度從米級(jí)提升到亞米級(jí)。

（2）降低定位時(shí)延技術(shù)：一方面定義按需發(fā)送的定位導(dǎo)頻信號(hào)，另一方面進(jìn)一步降低定位測(cè)量的請(qǐng)求回應(yīng)時(shí)間、終端測(cè)量時(shí)間及測(cè)量gap時(shí)間，將定位時(shí)延從秒級(jí)降低到毫秒級(jí)。

（3）降低功耗技術(shù):支持RRC非激活狀態(tài)下終端的定位測(cè)量、信令和流程，降低功耗，提升定位終端電池續(xù)航能力。

此外，定位技術(shù)作為一類感知技術(shù)，是支撐未來通信感知融合的基礎(chǔ)技術(shù)。通感場(chǎng)景的定位需求包括了通信設(shè)備定位以及非通信設(shè)備定位，如商場(chǎng)貨物的定位識(shí)別等。面向通感場(chǎng)景定位需求，定位技術(shù)對(duì)于非通信設(shè)備定位還需要新的增強(qiáng)設(shè)計(jì)，以及需要與通感一體化的相關(guān)設(shè)計(jì)（如波形設(shè)計(jì)和幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等）相應(yīng)的結(jié)合設(shè)計(jì)。定位技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中將與場(chǎng)景多樣化的定位感知需求和通信需求相結(jié)合，通過定位參考信號(hào)和通信數(shù)據(jù)相結(jié)合的資源管理、多節(jié)點(diǎn)協(xié)作等方式滿足通感場(chǎng)景性能需求。

7 結(jié)論

5G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)高精度定位性能，為垂直行業(yè)應(yīng)用，特別是室內(nèi)垂直行業(yè)應(yīng)用提供位置服務(wù)保障。此外，業(yè)界正在廣泛探討通信感知融合技術(shù)，在進(jìn)行信息傳遞的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)感知的功能，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)整體性能和業(yè)務(wù)能力的提升。其中感知是指分析無線電波的直射、反射、散射信號(hào)，獲得對(duì)目標(biāo)對(duì)象或環(huán)境信息（屬性和狀態(tài)等）的感知，完成定位、測(cè)距、測(cè)速、成像、檢測(cè)、識(shí)別、環(huán)境重構(gòu)等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的探索。定位作為一類感知能力，為后續(xù)通信網(wǎng)融合感知能力提供技術(shù)和框架設(shè)計(jì)參考。