5G無線定位技術標準化及發展趨勢

焦慧穎，王志勤，杜瀅，沈霞

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

移動定位業務是移動通信系統采用特定的定位技術獲取終端的地理位置信息，用于緊急救援、導航和基于位置的管理等業務。移動通信系統利用外部輔助信號實現定位，如輔助全球導航衛星系統（A-GNSS,Assisted Global Navigation Satellite System）定位；利用自定義的定位信號，支持多種定位方式，如下行到達時間觀測差定位（OTDOA,Observed Time Difference of Arrival）、基于定時提前量（TA,Timing Advance）和來波方向（AoA,Angle of Arrival）定位以及上行到達時間差（UTDOA,Uplink Time Difference Of Arrival）定位方法。

相比于4G，5G系統的大帶寬和大規模天線設計能提供更高精度的定位能力，實現亞米級定位。5G系統支持百兆級帶寬，大帶寬對應更低采樣間隔，其可測量最小距離差異的時間分辨率越高，實現更高定位精度，100 MHz 5G系統的定位精度為米級，帶寬為400 MHz的5G毫米波系統達到亞米級。5G多輸入多輸出技術（MIMO）利用多根發射天線和接收天線的組合提供更多的空間自由度，隨著空間樣本數增加，到達角和離開角度的信息增加，角度的分辨率隨之提升，能夠判別更精準的地理位置，此外，大量發送天線能夠獲得更窄的波束，進一步提高離開角的分辨率。

3GPP Rel-15 NR定義了NR定位協議A（NRPPA），沒有標準化基于NR的無線定位技術。在Rel-16階段研究了基于NR的定位技術，定義新的定位參考信號和終端/基站（UE/gNB）測量，更新定位的信令協議和過程。下面詳細介紹5G定位技術和標準情況。

1 5G定位協議架構

如圖1所示，5G定位架構包括終端、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系統的LTE定位協議（LPP），終端根據定位請求獲取位置測量信息，在本地計算位置或將測量信息轉發給定位管理功能模塊進行位置計算，定位管理功能模塊和基站之間采用了NR專用的NR定位協議A（NRPPA），基站側向定位管理功能模塊提供定位相關信息，并在定位管理功能模塊和目標終端傳輸定位信息。

圖1 NR無線定位協議架構

2 下行定位參考信號

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

（1）DL PRS采用了Gold序列，序列個數是4 096，用于保持下行多TRP之間的干擾隨機化和良好的序列互相關特性，以支持在不同網絡部署情況下，UE能夠檢測到多個TRP的DL PRS，便于實現多點定位。

（2）DL PRS支持發送波束掃描和接收波束掃描，可以實現對多個不同波束上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的時頻域資源配置，滿足不同應用場景下的定位精度，避免資源浪費。

5G定義下行定位DL PRS資源集合，用于指示同一個發送點（TRP）的一組DL PRS資源，一個DL PRS資源為一個TRP的一組下行時頻資源，每個DL PRS資源具有一個DL PRS資源ID。NR支持DL PRS的多波束掃描操作，一個DL PRS資源集合包含的每個DL PRS資源分別采用不同的下行波束發送，每個終端接收最優下行發送波束的DL PRS資源，進行相應的測量上報。如圖2所示。

圖2 DL PRS發送的配置結構

DL PRS資源在時域上為多個連續的OFDM符號，頻域上占用多個連續的PRB，并且以梳狀的方式支持多個不同DL PRS資源在不同的子載波上復用。

DL PRS序列為偽隨機序列，其生成序列的初始值是PRS序列ID、時隙索引和符號索引的函數。通過高層配置DL PRS的頻域起始PRB和帶寬，其中起始PRB配置參數的粒度是一個PRB，帶寬配置的粒度是4個PRBs，可配置的最小帶寬為24個PRBs，最大帶寬為272個PRBs，一個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）的圖樣在時域上是交錯的。首先配置DL PRS資源中的第一個符號頻率域的RE偏置，接下來符號的相對RE偏置為相對于第一個符號的頻率域RE的偏置，具體相對RE偏置的數值由DL PRS資源占用的OFDM符號個數、DLPRS資源的梳狀值（comb size）和DL PRS符號索引決定，其中DL PRS資源的OFDM符號個數可以靈活配置為2、4、6和12符號，支持梳狀值為2、4、6和12。

DL PRS是周期性發送的，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} 個時隙，其中μ=0,1,2,3分別對應于15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz子載波間隔，一個DL PRS資源集合中的所有PRS資源有相同的周期。

DL PRS定義兩類時間偏置，用于指示DL PRS資源集到時隙的映射，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，為該發送TRP的DL PRS資源集相對于參考TRP的SFN0時隙0的偏置，具體配置DL-PRS-SFN0-Offset為對應TRP的SFN0時隙0相對參考服務TRP的時間偏置，DL-PRS-ResourceSetSlotOffset以及DL-PRS-ResourceSymbolOffset為對應TRP所配置的相對資源集合的SFN時隙0的時隙偏置和符號偏置，也就是資源集合中第一個下行PRS資源的時隙和符號索引。另一類為基于DL PRS資源的，為該DL PRS資源相對于DL PRS資源集所在時隙和起始符號的偏置，配置DLPRS-ResourceSlotOffset為DL PRS資源相對于DL-PRSResourceSetSlotOffset的起始時隙偏置，配置DL-PRSResourceSymbolOffset為DL PRS資源在起始時隙內的起始符號偏移。

DL PRS資源靜默標識TRP不傳輸該PRS資源，靜默的目的是降低多個TRP在相同的時頻資源上發送的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比特對應DL PRS資源集合中配置的連續發送時刻，位圖指示的要靜默的一個DL PRS資源集合內的所有DL PRS資源都是靜默的。

2）第二種方式是位圖中的每個比特對應DL PRS資源的單個重復索引。

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資源集才能正常發送。

3 上行定位參考信號

3GPP Rel-16增強上行探測信號SRS（Sounding Reference Signal），實現上行定位功能。定位功能需要服務基站和鄰基站均接收到UE發送的SRS，并且為了提升定位性能，相比NR Rel-15 SRS信號，定位 SRS信號具有以下特點：

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

（2）為了減少不同UE發送的定位SRS信號間碰撞及上行干擾，定位SRS的序列標識數量比NR SRS的序列標識增加了64倍。

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

（4）SRS定位信號采用了交錯圖案的設計，以便降低序列檢測時相關運算所產生的旁瓣值。

定位SRS資源的發送周期和時隙偏置與Rel-15的SRS一致，定位SRS資源所支持的OFDM符號數量是連續可配置的，配置數值為｛1,2,4,8,12｝，時域起始位置可以是時隙中的任意位置。SRS的梳狀大小擴展到集合｛2,4,8｝，當配置梳狀大小為8的時候，循環移位數量為6。

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

采用一個端口的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的，不同符號采用不同的RE偏置，對于一組包含梳狀大小和SRS符號的參數，有唯一的資源粒子圖樣。定位SRS還支持半靜態和非周期發送，其中半靜態定位SRS通過MAC CE激活/去激活，終端在服務小區和鄰區接收SRS用于定位，非周期定位SRS重用Rel-15的下行控制信令觸發發送。

4 NR定位測量和相關流程

終端測量PRS，獲得下行定位測量參量，包括DL RSTD、終端收發時間差和DL PRS-RSRP測量，終端將這些測量參量上報給基站，實現定位，具體定義如下：

（1）下行參考信號時間差（DL RSTD）定義為定位基站和參考定位基站之間的相對時間差。

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

（3）下行PRS參考信號接收功率（DL PRSRSRP）定義為在測量頻率帶寬內測量DL PRS RE的線性平均功率。

基站測量上行定位SRS信號，獲得上行定位測量，包括UL RTOA、基站收發時間差、UL AoA和UL SRS RSRP測量，具體定義如下：

（1）上行相對到達時間（UL RTOA）是相對配置的參考時間，定位基站接收到的包含SRS起始子幀的時間。

（2）基站收發時間差定義為終端關聯的接收包含SRS的上行子幀（第一個檢測路徑）的時間與最接近該時間的定位基站下行子幀的時間差。

（3）上行到達角（UL AoA）定義為終端相對參考方向估計的水平和垂直角度。

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

基站和終端測量的精度相同，具體精度通過定義測量的不確定性數值，以及該數值域的精度等級來描述。角度測量的上報精度為0.1度，時間測量上報的精度定義為T=Tc2k，這里k是一個可配置參數。

5 5G定位和其它定位技術的融合

5G定位技術將為垂直行業和物聯網應用提供位置服務能力，相比于基于全球導航衛星系統只能用于室外開闊場景，5G定位能很好地解決室內，如產線、倉儲等場景的高精度定位需求。北斗衛星導航系統與地基增強系統所構建的高精度定位能力可覆蓋較廣的區域，提供米級定位精度，于手機定位和車聯網中應用。但衛星導航系統存在著因局域遮擋而導致的局部定位盲點區域，可以與規模部署的5G網絡互相補充，提供廣范圍定位能力。

此外，超寬帶（UWB）定位技術是新興的室內定位應用技術。UWB信號占用幾百兆頻譜，使用納秒級的非正弦窄脈沖傳輸信息，發射信號功率譜密度低，該技術對信道衰落不敏感，難以截獲，定位精度達到10厘米級，目前已應用于智能工廠、智慧城市等場景，并有5G+UWB的方案，解決工業應用的通信、定位和融合應用問題。相比于5G定位能力，UWB的覆蓋距離短，信號容易被遮擋。

6 5G定位的發展趨勢

5G業務尤其是垂直行業對定位精度要求很高，例如在工廠車間快速地找到組裝零件等移動物體，類似的需求也存在于運輸物流行業。除此以外，新興的自主應用（例如自動駕駛）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，完整性是衡量導航系統提供的信息是否正確的信任程度，包括系統在發生故障時向用戶接收器及時發出警告的能力，而可靠性包括確定位置相關數據的可靠性以及不確定性或置信度的需求。

為了滿足新應用和垂直行業帶來的更高精度需求，3GPP Rel-17設立了高精度定位項目[4-5]，對于通用的商業應用，實現1米的定位精度；對于垂直應用實現0.2米的定位精度；同時提供定位完整性保護，完整性用于衡量導航系統提供信息正確與否的信任程度。R17具體標準化方向包含提升定位精度、降低定位時延、降低定位終端功耗等。

（1）定位精度增強技術：通過優化差分定位等算法降低終端和基站收發的時延，修正多徑信號，提高上行到達角的和下行離開角的測量精度，將定位精度從米級提升到亞米級。

（2）降低定位時延技術：一方面定義按需發送的定位導頻信號，另一方面進一步降低定位測量的請求回應時間、終端測量時間及測量gap時間，將定位時延從秒級降低到毫秒級。

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

此外，定位技術作為一類感知技術，是支撐未來通信感知融合的基礎技術。通感場景的定位需求包括了通信設備定位以及非通信設備定位，如商場貨物的定位識別等。面向通感場景定位需求，定位技術對于非通信設備定位還需要新的增強設計，以及需要與通感一體化的相關設計（如波形設計和幀結構設計等）相應的結合設計。定位技術在實際應用中將與場景多樣化的定位感知需求和通信需求相結合，通過定位參考信號和通信數據相結合的資源管理、多節點協作等方式滿足通感場景性能需求。

7 結論

5G系統實現亞米級高精度定位性能，為垂直行業應用，特別是室內垂直行業應用提供位置服務保障。此外，業界正在廣泛探討通信感知融合技術，在進行信息傳遞的同時，實現感知的功能，目標是實現整體性能和業務能力的提升。其中感知是指分析無線電波的直射、反射、散射信號，獲得對目標對象或環境信息（屬性和狀態等）的感知，完成定位、測距、測速、成像、檢測、識別、環境重構等功能，實現對物理世界的探索。定位作為一類感知能力，為后續通信網融合感知能力提供技術和框架設計參考。