基于OTDOA的5G定位性能綜合分析

張建國(guó)，徐 恩，周鵬云，韓春娜（.華信咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司浙江分公司，浙江杭州 30053）

0 引言

無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)分為4類(lèi)，分別是衛(wèi)星定位、蜂窩網(wǎng)定位、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)定位以及其他定位技術(shù)，其他定位技術(shù)包括氣壓計(jì)定位、可見(jiàn)光定位、視覺(jué)定位、紅外定位等。目前應(yīng)用最為廣泛的是全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS——Global Navigation Satellite System），其定位精度是10～30 m，通過(guò)GNSS 和蜂窩網(wǎng)相結(jié)合的輔助GNSS（A-GNSS——Assisted GNSS）定位，如RTK（Real-Time Kinematic）載波相位差分技術(shù)，定位精度最高可達(dá)厘米級(jí)。GNSS定位適合于開(kāi)闊的室外場(chǎng)景，在城區(qū)峽谷和室內(nèi)場(chǎng)景，GNSS 信號(hào)面臨著多徑和NLOS傳播、嚴(yán)重的衰減等問(wèn)題，導(dǎo)致GNSS 定位精度急劇下降甚至無(wú)法使用，對(duì)于以上場(chǎng)景，適合使用蜂窩網(wǎng)定位技術(shù)［1-2］。

由于蜂窩網(wǎng)的覆蓋范圍較廣，不需要移動(dòng)終端硬件上的升級(jí)，在室內(nèi)也能完成定位，所以基于蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)是目前較常用的定位技術(shù)。蜂窩網(wǎng)定位的原理是利用現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)的某些特征值來(lái)完成定位，根據(jù)定位技術(shù)所采用的測(cè)量值，可以將基于蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)分為基于增強(qiáng)小區(qū)ID（E-CID）定位、觀察到達(dá)時(shí)間差（OTDOA）定位、上行到達(dá)時(shí)間差（UTDOA）定位、到達(dá)角度（AOA）定位以及混合定位［1］。本文接下來(lái)主要分析基于下行定位參考信號(hào)（PRS）的OTDOA定位。

1 5G定位服務(wù)的性能需求

5G 定位服務(wù)的性能需求包括水平和垂直精度、速度精度、定位服務(wù)可用性、定位服務(wù)時(shí)延、首次定位時(shí)間等。其中，水平和垂直精度描述的是需要定位的UE的測(cè)量位置相對(duì)于它的實(shí)際位置的精度，是最重要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，通常使用概率門(mén)限作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，定位速度精度要求在99%服務(wù)區(qū)內(nèi)，對(duì)于速度的定位優(yōu)于0.5 m/s，對(duì)于三維方向移動(dòng)的定位優(yōu)于5°；定位服務(wù)時(shí)延指的是無(wú)線(xiàn)層的時(shí)延，不是端到端的時(shí)延；首次定位時(shí)間要求小于30 s，某些特殊用例要求小于10 s［3］。

表1 5G定位服務(wù)的性能需求

服務(wù)等級(jí)1是廣域定位，其需要的定位精度最低，主要用于物流管理、廢物管理和收集、緊急呼叫、醫(yī)院外的患者和急救設(shè)備定位、資產(chǎn)跟蹤和管理等領(lǐng)域，其中廢物管理和收集、資產(chǎn)跟蹤和管理要求UE 具有極低的功耗，假設(shè)每小時(shí)更新多次位置，1 800 mWh的電池可以使用12年以上。

服務(wù)等級(jí)2～4 是高精度定位，主要應(yīng)用于人員跟蹤、機(jī)器控制和交通等領(lǐng)域。服務(wù)等級(jí)2 應(yīng)用于共享單車(chē)、可穿戴設(shè)備、廣告推送、醫(yī)院內(nèi)的人員和醫(yī)療設(shè)備定位；服務(wù)等級(jí)3 應(yīng)用于交通流量監(jiān)控、管理和控制，車(chē)輛收費(fèi)等領(lǐng)域；服務(wù)等級(jí)4應(yīng)用于工廠(chǎng)內(nèi)的無(wú)人搬運(yùn)車(chē)定位。

服務(wù)等級(jí)5～6 是超高精度定位，主要應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、工業(yè)控制等領(lǐng)域，服務(wù)等級(jí)5適合于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，服務(wù)等級(jí)6適合于高服務(wù)可用性、低時(shí)延需求的遠(yuǎn)程控制。

服務(wù)等級(jí)7是相對(duì)定位，適合于無(wú)人機(jī)集群定位，只有當(dāng)2 個(gè)UE 或UE 和5G 定位節(jié)點(diǎn)的距離在10 m 以?xún)?nèi)時(shí)，相對(duì)位置的定位精度才有可能達(dá)到0.2 m 以下［4］。

需要說(shuō)明的是，單獨(dú)依賴(lài)5G定位技術(shù)不能完全滿(mǎn)足表1 的性能需求，5G 定位技術(shù)應(yīng)與其他定位技術(shù)結(jié)合起來(lái)使用，才有可能完全滿(mǎn)足表1的性能需求。

2 PRS的結(jié)構(gòu)和配置原則

2.1 PRS的結(jié)構(gòu)

OTDOA定位是基于UE測(cè)量服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)的參考信號(hào)到達(dá)UE 的時(shí)間差，也稱(chēng)為參考信號(hào)時(shí)間差（RTSD——Reference Signal Time Difference），由于測(cè)量量是時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間，不必滿(mǎn)足基站與UE之間必須時(shí)間同步的要求。為實(shí)現(xiàn)OTDOA 定位盡可能多地探測(cè)相鄰小區(qū)的信號(hào)，UE需要以較高的概率檢測(cè)到至少4個(gè)基站的信號(hào)［1］。

理論上，任何下行參考信號(hào)，如PSS、SSS、CSI-RS，都可以獲得RSTD 測(cè)量值因而支持OTDOA 定位，但是這些下行參考信號(hào)設(shè)計(jì)和實(shí)施的目的是用于數(shù)據(jù)通信，因此相鄰小區(qū)的信號(hào)通常較弱而不能被探測(cè)，這就導(dǎo)致UE 檢測(cè)不到足夠數(shù)量相鄰小區(qū)的下行參考信號(hào)，因此，為了提高UE 檢測(cè)到相鄰小區(qū)的概率，滿(mǎn)足OTDOA 所需RSTD 測(cè)量量的要求，3GPP Rel-16 定義了PRS以提高OTDOA的定位精度［5］。

圖1 1個(gè)時(shí)隙內(nèi)的PRS結(jié)構(gòu)

2.2 PRS參數(shù)的配置原則

根據(jù)式（1），可以計(jì)算出，對(duì)于不同的子載波間隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）和PRS 的定位范圍如表2 所示。其次的配置還需要考慮UE 的信道帶寬、小區(qū)密度等因素。越小，頻域上的PRS密度越大，即使較小的帶寬也能達(dá)到較高的定位精度，因此較小的適合于帶寬受限場(chǎng)景，如低帶寬的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。越大，可復(fù)用的PRS信號(hào)數(shù)量越多，如時(shí)，在頻域上可以最多復(fù)用6 個(gè)PRS，圖1（b）給出了復(fù)用3 個(gè)PRS 信號(hào)的情形，因此較大的減少了PRS 沖突的概率，適合于高密度小區(qū)，UE 可以通過(guò)檢測(cè)更多的小區(qū)以提高定位精度；另外，較大的還可以通過(guò)功率提升來(lái)改善SNR，進(jìn)而提高定位精度，如時(shí)，PRS 提升功率分別為6 dB、7.8 dB、10.8 dB［10］。過(guò)大的也存在占用的帶寬較大、易受多普勒頻移影響、較長(zhǎng)的掃描時(shí)間增加了由于UE移動(dòng)和時(shí)鐘漂移引入的誤差等缺點(diǎn)。另外，對(duì)于以下2 個(gè)場(chǎng)景，在配置的時(shí)候需要特別注意。室內(nèi)場(chǎng)景具有低多普勒頻移、低傳播時(shí)延、低時(shí)延擴(kuò)展的特點(diǎn)，可以配置得大一些，如配置為12.。對(duì)于UE高速移動(dòng)場(chǎng)景，一方面，高速移動(dòng)UE的位置隨著時(shí)隙變化而變化，UE 需要同時(shí)檢測(cè)更多小區(qū)的PRS，配置較大的比較合適；另一方面，高速移動(dòng)的UE 多普勒頻移較大，配置較小的比較合適，建議對(duì)于UE高速移動(dòng)場(chǎng)景，配置為4或6比較合適。

表2 PRS的定位范圍（單位：m）

c）LPRS的配置原則。LPRS是1 個(gè)時(shí)隙內(nèi)的PRS 符號(hào)數(shù)，取值為2、4、6、12。LPRS的配置與和PRS 開(kāi)銷(xiāo)等有關(guān)系。如果1個(gè)時(shí)隙內(nèi)的LPRS小于則在頻域的某些子載波上會(huì)一直沒(méi)有PRS，PRS 自相關(guān)后產(chǎn)生較大的側(cè)峰（side peak），進(jìn)而影響定位精度和定位范圍。本文建議LPRS等于或者LPRS是的整數(shù)倍，其好處是相干合成后的自相關(guān)值只有一個(gè)主峰，而沒(méi)有側(cè)峰，因此會(huì)提高定位精度，其缺點(diǎn)就是PRS占用的OFDM符號(hào)較多，開(kāi)銷(xiāo)較大［11］。

3 OTDOA定位性能分析

3.1 OTDOA距離估計(jì)的CRLB分析

基于傳播時(shí)間的定位方法，如TOA 和OTDOA，需要對(duì)來(lái)自不同基站的信號(hào)進(jìn)行精確的估計(jì)，OTDOA 的估計(jì)偏差直接決定了定位精度，OTDOA 的估計(jì)偏差越大，則定位誤差越大，OTDOA 估計(jì)偏差的一種評(píng)價(jià)方法是克拉美-羅下界（CRLB——Cramer-Rao lower bound）。

CRLB 是在給定的SNR 下，任何無(wú)偏估計(jì)器能夠達(dá)到的精度的下界，無(wú)偏估計(jì)的方差只能無(wú)限制的逼近CRLB，而不會(huì)小于CRLB。假設(shè)信道條件是AWGN信道，不考慮網(wǎng)絡(luò)的同步誤差、多徑和NLOS 傳播導(dǎo)致的測(cè)量誤差，PRS 信號(hào)的OTDOA 方差VAR()τ的CRLB

如式（2）所示［12］：

在式（2）中，Δf是子載波間隔，Nsymb是PRS 總的OFDM 符號(hào)數(shù)，N是PRS 帶寬內(nèi)的子載波數(shù)，如果在RE(k,l)上沒(méi)有PRS，則|ak,l|=0，如果在RE(k,l)上有PRS，則|ak,l|=1。

根據(jù)式（2），可以發(fā)現(xiàn)，OTDOA 的方差VAR()τ依賴(lài)于SNR、子載波間隔、PRS 帶寬以及PRS 符號(hào)數(shù)LPRS和重復(fù)因子這幾個(gè)參數(shù)的值越大，OTDOA 的方差VAR(τ)越小，相應(yīng)的距離估計(jì)精度就越高。

OTDOA距離估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差d(σ)如式（3）所示［2］。

表3 OTDOA距離估計(jì)的CLRB（單位：m）

從表3 可以發(fā)現(xiàn)，隨著SNR 和帶寬的增加，OTDOA 距離估計(jì)的CLRB 迅速變小，在SNR=10 dB 的條件下，當(dāng)=24、SCS=15 kHz（5 MHz帶寬）SCS=15 kHz（50 MHz 帶 寬），、SCS=30 kHz（100 MHz 帶寬），、SCS=120 kHz（400 MHz 帶寬）時(shí)，OTDOA 距離估計(jì)的CLRB 分別是0.505 m，0.013 m，0.007 m和0.002 m。

3.2 OTDOA距離估計(jì)的結(jié)果分析

文獻(xiàn)［13］給出了不同廠(chǎng)家提交的OTDOA 距離估計(jì)的評(píng)估結(jié)果。本文只列出華為的評(píng)估結(jié)果作為參考（見(jiàn)表4）。其中，室內(nèi)開(kāi)放辦公室（IOO——Indoor Open Office）、UMi 和UMa 分別對(duì)應(yīng)著室內(nèi)開(kāi)放辦公室場(chǎng)景、城區(qū)街道峽谷場(chǎng)景（站間距是200 m）、宏基站場(chǎng)景（站間距是500 m）；67%、90%表示的是圓概率誤差。

表4 OTDOA距離估計(jì)的評(píng)估結(jié)果（單位：m）

從表4 可以發(fā)現(xiàn)，OTDOA 的定位精度比表3 計(jì)算的CLRB要低至少2個(gè)數(shù)量級(jí)，主要有以下2點(diǎn)原因。

a）信號(hào)傳播誤差：采用GNSS 定位，通常認(rèn)為GNSS 信號(hào)是視距（LOS——Line Of Sight）傳播，而PRS信號(hào)則通常要經(jīng)歷多徑和NLOS 傳播，NLOS 傳播會(huì)給UE和基站之間的定時(shí)測(cè)量帶來(lái)偏差，這個(gè)偏差對(duì)定位性能有顯著的影響；多徑傳播也會(huì)限制定位性能，其嚴(yán)重程度由多徑信號(hào)的相對(duì)幅度、相位和延遲三者共同決定；此外，蜂窩網(wǎng)中的嚴(yán)重干擾可能影響到PRS的正常獲取。

b）基站側(cè)誤差：網(wǎng)絡(luò)同步誤差會(huì)對(duì)定位性能造成影響，根據(jù)3GPP 協(xié)議，宏基站、中距基站、局域基站的頻率誤差分別是±0.05 ppm、±0.1 ppm、±0.1 ppm［14］，即網(wǎng)絡(luò)同步誤差分別是±50 ns、±100 ns、±100 ms，對(duì)應(yīng)的距離不確定性分別是15 m、30 m和30 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于3 m精度的定位需求，為了達(dá)到低于3 m 的距離不確定性，NR 基站的定時(shí)誤差應(yīng)小于±10 ns；此外，基站位置誤差會(huì)直接帶入定位算法中，對(duì)于用于定位目的的基站，應(yīng)采用大地測(cè)量?jī)x或高精度的GPS接收機(jī)，盡量使位置誤差限制在米級(jí)或以下［1］。

從表4 還可以得出以下結(jié)論：在不考慮網(wǎng)絡(luò)同步誤差的情況下，單獨(dú)依靠OTDOA 定位可以滿(mǎn)足表1 的少部分定位服務(wù)需求，在考慮網(wǎng)絡(luò)同步誤差的情況下，單獨(dú)依靠OTDOA 不能滿(mǎn)足表1 的定位服務(wù)需求。為了滿(mǎn)足表1的定位精度需求，一方面，可以通過(guò)提高SNR、采用更大的SCS、更大的PRS帶寬更長(zhǎng)的符號(hào)數(shù)LPRS和更大的重復(fù)因子以提高OTDOA 的定位精度，其中提高SNR 的方法包括增加基站功率、功率提升、提高UE的接收機(jī)靈敏度、采用Massive-MIMO天線(xiàn)增加賦形增益等措施；另一方面，OTDOA 定位技術(shù)應(yīng)該與GNSS、TBS（Terrestrial Beacon System）、傳感器、基于WLAN/藍(lán)牙等定位技術(shù)聯(lián)合起來(lái)使用，進(jìn)一步提高定位精度、服務(wù)可靠性、服務(wù)時(shí)延等，以滿(mǎn)足表1的定位服務(wù)需求［3］。

4 結(jié)束語(yǔ)

除了利用專(zhuān)門(mén)的PRS 進(jìn)行定位外，也可以利用屬于CSI-RS 的跟蹤參考信號(hào)（TRS——Tracking Reference Signal）進(jìn)行定位，由于TRS 是用于通信目的，為了定位目的而增加的開(kāi)銷(xiāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PRS，且其定位精度與PRS 相比，只是有少量的下降，因此，對(duì)于定位精度要求不高的場(chǎng)景，也可以使用TRS進(jìn)行定位，而基于PRS的定位使用在對(duì)定位精度和定位時(shí)延要求較高的場(chǎng)景［15］?？傊?，5G信號(hào)具有大帶寬、高SNR的優(yōu)勢(shì)，其提供的定位精度高于傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)在未來(lái)具有廣闊的應(yīng)用空間。