5G NR定位技術及其部署方案

張詩壯 李俊強 陳詩軍

摘要：提出了5G新空口（NR）在不同場景下的定位網絡部署方案和定位技術部署方案。其中，定位網絡部署包括基于核心網部署的架構和基于本地計算部署的架構。5G不同場景下的定位技術部署包括室外單站的往返時間（RTT）+到達角（AOA）方案部署、室外多站的RTT方案部署、室內室分環境的上行信號到達時間差（UL-TDOA）部署，以及室內室分+融合定位的QCell+X無線定位等。這些技術和方案能為5G時代的定位部署帶來重要參考價值。

關鍵詞：5G；定位技術；部署方案

Abstract： The location network deployment scheme and positioning technology deployment of 5G new radio （NR） in different scenarios are put forward. Positioning network deployment includes the overall architecture of core network and local deployment. 5G positioning technology deployment in different scenarios includes outdoor single station round trip time （RTT） + angle of arrival （AOA） scheme deployment， outdoor multi-RTT scheme deployment， indoor distributed environment up-link time difference of arrival（UL-TDOA） deployment， indoor distributed + integrated positioning Qcell + X wireless positioning. These technologies and solutions can bring great reference value for the positioning development in 5G era.

Keywords： 5G； positioning technology； deployment scheme

1 5G定位特點

在信息社會中，對位置的精確描述已經成為各行各業的基本要求。據估算，有60%～80%的信息與空間信息密切相關。位置信息已經成為整個社會信息流的重要組成部分。同時，智能手機已經成為人類生活中不可或缺的一部分，并為用戶的位置服務提供了終端設備基礎。隨著5G網絡建設的不斷推進，各垂直行業對室內定位的需求日益迫切，例如智慧工廠、智慧醫院、智慧停車場等室內定位典型應用場景[1-3]。定位能力是5G核心能力之一。5G網絡覆蓋一體化有助于實現高精度定位。這將進一步為企業創造價值，為千行百業的客戶提供更高水平的服務。

5G包含新的編碼方式、波束賦形、大帶寬、大規模天線陣列、毫米波頻譜等一系列關鍵技術。其中，大帶寬和天線陣列技術為高精度的距離和角度測量提供了基礎。5G將實現更加密集的組網，基站密度也會顯著提高。這將有利于實現多基站協作和高精度定位。Rel-16標準包含增強型小區標識（ECID）、多站往返時間（Multi-RTT）、下行離開角測量法（DL-AOD）、 下行信號到達時間差（DL-TDOA）、上行信號到達時間差（UL-TDOA）、上行到達角（UL-AOA）等一系列定位方法[2]。這些定位方法具有亞米級的定位精度，從而可大大拓展定位技術的應用場景。

總的來說，隨著5G系統的建設，精確的位置服務能力將得到進一步增強。在實現5G網絡覆蓋的同時，位置服務將進一步改善消費者的生活，并為各行業帶來更大的經濟效益。

2 5G新空口（NR）定位技術

2.1 5G NR定位標準化進程

Rel-9—Rel-11的通信系統定位主要基于時間測量的觀測到達時間差（OTDOA）、UL-TDOA和小區標識（CID），定位精度不高，一般在50～150 m。這個階段屬于長期演進（LTE）低精度定位階段。在該階段的基礎上，Rel-12—Rel-14提出了更高精度的要求，并給出了多種定位技術融合的方案，使定位精度達到10～100 m。Rel-15—Rel-16不僅提出了5G利用多輸入多輸出（MIMO）的多波束特性來進行定位增強，同時還定義了基于蜂窩小區的RTT、DLTDOA、到達角（AOA）、離開角（AOD）等定位技術，使定位精度達到3～10 m。文獻[4]對這些定位技術的特點、上行定位和下行定位的優劣勢等做了具體分析。由于R16的定位精度還不能滿足一些工業物聯網應用場景的需求，因此Rel-17將進一步把室內定位的精度提升到厘米級。

2.2 Rel-16定位技術

在2020年6月凍結的Rel-16版本中，第三代合作伙伴（3GPP）定義了室內定位場景，明確了5G定位的定位精度和端到端定位時延：水平維和垂直維的定位精度均小于3 m（區域內80%用戶），端到端時延小于1 s。針對這一精度和時延，3GPP采用的主要定位技術包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA和Multi-RTT。這些技術所能達到的定位精度和條件如表1所示。

2.2.1 Multi-RTT

到達時間差（TDOA）定位技術需要用戶和基站保持同步。對于非服務基站來說，要保持高精度同步是比較困難的。Multi-RTT是5G R16上行定位和下行定位結合的定位方法，具有較高的定位精度，可基于用戶設備（UE）和多個基站（或信號收發點）來互發參考信號，并根據UE接收信號與發送信號的時間差、gNB接收信號與發送信號的時間差，以及ULAOA等數據來確定UE的位置。該定位方法雖然需要同時配置上下行參考信號，但是不會受到站間同步精度的影響。RTT算法將基站到UE的傳輸時間分解成兩個部分，并基于這兩個部分的測量結果來計算RTT[2]。

如圖1所示，RTT的流程要求UE和發射結點（基站）都測量TOA。對于下行信號，基站用基站本地時鐘記錄發射時間t0， 終端用終端的本地時鐘測量下行信號的到達時間t1； 對于上行信號，終端用終端的本地時鐘記錄發射時間t2，基站用基站的本地時鐘測量上行信號的到達時間t3。最終系統測得的雙程時間為（t3-t0）-（t2-t1）。其中，接收信號相對于發送信號的時間差為t3-t0，gNB對應的時間差為t2-t1。由于gNB和UE的接收信號與發送信號的時間差均為相對時間差，并且兩者的參考時鐘均為終端和基站的本地時鐘，因此，RTT定位技術不要求基站和終端保持同步。

2.2.2 NR-TDOA（上行/下行）

5G R16定義了上行和下行TDOA的定位方法。以下行為例，該方法的基本思想是：首先讓UE接收不同基站的下行定位參考信號（PRS），使之與本地產生的已知PRS序列做相關運算；然后尋找首達徑來估計到達時間，并計算不同基站的到達時間與參考基站的到達時間差（RSTD）；最后采用高斯-牛頓算法、CHAN算法等算法解出UE的位置坐標。在3G階段，3GPP就已經引入TDOA方法。由于LTE和5G是同步系統，因此TDOA定位方法在4G、5G階段得到了持續改進。這使高精度TDOA定位方法的商用成為可能。

TDOA的定位方法需要基站之間保持同步，但不要求基站和終端之間保持同步。當把兩個基站作為中心點時，用戶位置到兩個中心點的差就會構成一個雙曲線。如果存在另外一個由基站和參考基站構成的雙曲線，那么兩個雙曲線的交點就是用戶的位置。ULTDOA的定位原理和DL-TDOA相同，兩者的主要區別是：UE需要發射上行參考信號，由基站端來測量時間差。

2.2.3 ECID

ECID定位方法是對CID進行增強的方法，它將服務小區的基站位置作為用戶的位置。ECID定位方法跟基站的覆蓋范圍有關，定位精度比較低，但仍具有一些優點：（1）容易實現，成本較低，并且適用于所有蜂窩網絡；（2）手機側無須做任何軟硬件修改，網絡側不需要增加新的網絡實體。基于這些優點，ECID定位方法經常在其他定位方法失敗時被作為輔助定位方法使用。

為了進一步提高CID方法的精度，3GPP提出一些新舉措，比如，結合扇區天線的方向性將定位區域縮小到某個方向范圍內，或者結合時間量（TA）、參考信號接收功率（RSRP）將用戶位置縮小到以基站為中心的同心圓內。因此，ECID也可以和RTT、TOA、AOA方法融合，以減小用戶的位置誤差[5]。

2.2.4 AOA

UL-AOA定位技術需要在每個蜂窩小區站點上放置天線陣列。由于每個接收天線到發射天線的距離不同，因此不同接收天線的信號之間存在相位差。借助相位差信息，我們可以確定終端發送信號相對于蜂窩基站信道的AOA。同時，多個蜂窩基站可均以測量同一個終端信號的AOA。利用基站坐標和AOA，我們就可以得到多個射線方程，這些射線方程的交點就是終端的位置。

AOA是基于角度的定位方法，它可以在僅有兩個基站的情況下定位用戶位置。當與RTT測量相結合時，該方法只需要一個基站就可以完成用戶定位。雖然AOA定位方法不要求同步，但是它需要基站配備較大規模的天線陣列，以獲得較為準確的角度信息。由于使用的頻段不同，AOA使用的天線陣列和形態也不相同，這將影響測角精度。此外，天線陣列的天線數目、用戶與基站之間的距離等因素都會影響AOA定位方法的精度。

3 5G NR定位產品化部署方案

3.1 5G定位部署網絡架構

（1）基于核心網的5G定位網絡架構

如圖2所示，5G定位網絡架構是3GPP定義的標準定位網路架構[6]。該網絡架構的主要特點是通過核心網定位管理功能（LMF）、認證管理功能（AMF）、統一數據管理（UDM）等多個網元來執行位置服務業務操作。5G定位網絡架構適用于普通消費者業務，它是面向用戶（To C）的定位網絡架構。To C定位網絡架構能夠滿足控制面板和用戶面的定位需求，不僅支持手機號/IP多媒體子系統（IMS），還支持3GPP定義的所有定位方法，例如RTT、DL-TDOA、UL-TDOA、AOA等。

然而，To C定位網路架構也存在一些局限性。例如，定位數據因被保存在核心網中而不能滿足企業對定位數據保密性的要求，定位流程相對較復雜，定位系統部署成本較高等。

（2）基于本地計算的5G定位網絡架構

對于面向業務（To B）的應用，我們可采用本地計算部署定位服務網絡架構，具體如圖3所示。該網絡架構的主要特點是：可以通過手機號/ IMS/IP進行定位，且定位的方式與3GPP定義的所有定位方式相同，如RTT、DL-TDOA、UL-TDOA、AOA等。該架構支持終端終結（MT）、終端發起（MO）等定位服務方式，可滿足企業對定位數據進行本地管理的要求。移動邊緣計算（MEC）的基于定位的服務（LBS）具有定位管理功能（LMF）等部分網元功能。這種本地計算定位架構可實現定位數據本地化，符合To B客戶對定位數據的管理要求。該架構可以進一步簡化定位流程，降低部署成本，從而推動大多數To B應用場景的落地。除了圖3所示的架構外，本地計算架構還有其他方案，例如把核心網網元LMF直接下沉部署在本地的網絡架構中。然而，由于定位流程沒有變化，因此這種架構在定位流程和數據的本地化方面仍然存在不足。

3.2 5G定位技術部署

（1）室外單站場景下的定位技術部署

據統計，在近30%的蜂窩網場合中，手機只能收到一個基站的信號。這種情況無論是在室內單站還是在室外單站都是比較常見的。此外，5G大規模MIMO基站已經成為常規硬件設施，具備高精度角度估計的硬件基礎。因此，單站RTT技術成為這種場景的高精度定位技術。

在進行室外單站場景下的定位技術部署時，基站發射PRS信號，終端發射信道探測參考（SRS）信號。該方案首先通過RTT來獲得基站和終端之間的距離信息；然后通過基站的大規模MIMO來測量終端SRS信號的ULAOA，以得到角度信息；最后通過距離信息和AOA來計算出終端位置，具體如圖4所示。

值得一提的是，當同時有多個基站信號覆蓋時，我們可以綜合多個RTT+AOA方程使定位精度得到進一步提高。

（2）室外多站場景下的定位技術部署

在室外的多站場景下，小區可觀測到一定的基站數目（大于3個）。此時可以通過UE和多個基站（信號收發點）互發參考信號，以測得多個RTT值，進而實現定位。當觀測基站的數量超過4個時，我們還可采用DL-TDOA帶內定位網技術來實現大容量高精度定位[7]。

以多站RTT為例，在進行室外多站場景下的定位技術部署時，終端與3個基站互發參考信號，以測量接收端到發送端的時間差并獲得RTT。最終3個圓的交點即為終端位置，具體如圖5所示。多站RTT技術對系統的同步要求較低。目前，由于5G蜂窩網基站的同步時間精度為100 ns～2 us，因此室外多站場景比較適合采用RTT技術來實現高精度定位。

（3）室內室分場景下的定位技術部署

在室內室分的場景下，一般基站射頻單元的布設距離為20～30 m。大多數場合都能滿足終端信號被多個射頻單元接收的條件。因此，我們可以通過基站測量的UL-TDOA來評估定位結果。

在進行室內室分場景下的定位技術部署時，UL-TDOA使用多個基站來測量從UE發送的上行參考信號。該方案的基本定位原理與DL-TDOA定位方法類似，即通過計算多個雙曲線交點來求解UE的位置坐標。兩者的區別是：DL-TDOA定位方法測量的是下行參考信號到UE的時間差，而UL-TDOA測量的是上行參考信號到基站的時間差。由于UL-TDOA技術對同步也有較高的要求，因此，室分系統需要在射頻單元之間借助一定方式來消除同步誤差。

UL-TDOA定位技術的最大優點是能夠兼容目前市場上的5G手機，即無須對手機做改動就可以實現5G高精度定位。與其他定位技術相比，ULTDOA定位技術在產業鏈方面具有巨大優勢。

（4）室內室分+X融合定位技術部署

為了解決各種場景的室內定位問題，除了通信網定位技術外，市場上也出現了各種豐富的定位技術，例如藍牙、超寬帶（UWB）、WiFi等。這些定位技術在市場上都占有一定規模。為了充分利用這些現有的定位系統來滿足每個廠家和用戶的需求，Qcell+X（X為藍牙、UWB等）技術方案采用與定位設備融合的方法來進一步提高定位精度，增加系統的靈活性，以便應對更加復雜的室內場景。Qcell+X的技術部署如圖6所示。

在室分+X的融合定位系統中，Qcell不僅可以為X設備供電、配置定位、回傳信息、融合定位數據等，還可以實現各種形態的組網方式。通過充分融合藍牙、UWB、WiFi等設備的強大且靈活的定位能力，室內室分+X融合定位技術可滿足不同場景的需求，例如低成本亞米級別的藍牙AOA定位和厘米級別的UWB定位等。

4 結束語

本文系統地闡述了未來5G定位網絡的總體架構和相關的定位技術部署。針對To C和To B兩種不同的需求，本文提出了兩種不同的網絡架構以適應不同的應用場景，并針對Rel-16協議確定了不同場景下的定位技術部署方案。這些定位技術的部署方案將推動5G高精度定位技術在各種行業中的部署應用。

致謝

本論文的研究得到中興通訊股份有限公司曹長江、黃河、陳大偉3位工程師的幫助，對他們謹致謝意！

參考文獻

[1] 中國移動. 室內定位白皮書 [EB/OL]. [2021-01-28]. https：//www.vzkoo.com/doc/13785.html

[2] 3GPP. Study on NR positioning support： 3GPP TR 38.855 [S]. 2019

[3] 徐法祿. 5G室內分布：數字化轉型之道 [J]. 中興通訊技術， 2020， 26（6）： 43-49. DOI： 10.12142/ ZTETJ.202006010

[4] 歐陽俊， 陳詩軍， 黃曉明， 等. 面向5G移動通信網的高精度定位技術分析 [J]. 移動通信， 2019， 43（9）： 13-17

[5] 3GPP. Details of NR positioning techniques： 3GPP R1-1810152 [S]. 2018

[6] 3GPP. Stage 2 functional specification of user equipment （UE） positioning in NG-RAN： 3GPP TS 38.305 V16.0.0 [S]. 2020

[7] 陳詩軍， 王慧強， 陳強， 等. 帶內高精度定位網系統及其關鍵技術 [J]. 電子科學技術， 2017， 4（1）： 93-100

作者簡介

張詩壯，中興通訊股份有限公司無線研究院RAN研發中心副主任，高級工程師；主要研究方向為4G/5G系統架構設計；先后主持和參加基金項目2項，獲2016年國家科技進步獎特等獎等獎項；發表論文5篇，申請專利10余項。

李俊強，中興通訊股份有限公司標準預研算法工程師；主要研究領域為無線定位算法和傳感器定位算法的預研與實現、多徑信號仿真分析等；參與國家自然科學基金項目1項；申請專利3項。

陳詩軍（通信作者），中興通訊股份有限公司高精度定位技術總工程師，教授級高工；主要研究方向為高精度定位網技術、融合定位技術、無線信道仿真、MIMO等；主持制定國家和行業標準10余項，主持國家科技重大專項等20余項，獲得省級科技獎等10余項；發表論文30余篇，申請專利100余項。