面向5G-Advanced無線系統的高精度定位技術

任斌，張振宇，方榮一,,，任曉濤，李健翔，侯云靜，于哲，孫韶輝

面向5G-Advanced無線系統的高精度定位技術

任斌1,2，張振宇3，方榮一1,2,3,，任曉濤1,2，李健翔1,2，侯云靜1,2，于哲1,2，孫韶輝1,2

（1. 中信科移動通信技術股份有限公司，北京 100083；2.無線移動通信國家重點實驗室（電信科學技術研究院有限公司），北京 100191；3. 北京航空航天大學，北京 100083）

隨著定位技術的快速發展，面向5G-Advanced的高精度定位技術正受到越來越多的關注。首先，介紹了第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）Rel-16和Rel-17的5G定位標準現狀和Rel-18的5G-Advanced定位技術增強方向。其次，重點研究了5G正交頻分復用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）信號模型和載波相位定位技術需要解決的3個關鍵算法：基于鎖相環的載波相位測量算法、基于參考終端的雙差分算法和基于拓展卡爾曼濾波的用戶設備（user equipment，UE）位置解算算法。最后，分析了低功耗高精度定位技術方案和基于定位參考設備的定位精度增強技術方案。

5G新空口；載波相位定位；低功耗高精度定位；定位參考設備；整周模糊度

0 引言

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）從2018年開始研究和標準化基于5G新空口（new radio，NR）信號的無線接入定位技術，在3GPP Release16（Rel-16）中完成了基于5G NR終端定位的第一個正式版本的系統設計工作，其中包括5G定位參考信號、定位測量值和定位上報等相關流程以及接口信令的標準化工作[1-2]。3GPP NR Rel-16商用場景下80%用戶的定位誤差小于3 m[3]。3GPP NR Rel-17進行了NR定位增強研究，商用場景下90%用戶的定位誤差小于1 m，工業物聯網場景下90%用戶的定位誤差小于0.2 m[4]。Rel-17定位項目的目標是取得比Rel-16更高的定位精度和更低的時延，以及支持5G新應用和垂直行業的高完好性和可靠性要求。目前已完成了消除用戶設備（user equipment，UE）和基站收/發定時誤差影響、提升上行到達角和下行離開角的定位精度以及消除非視距/多徑影響等標準化工作[5-6]。

為了進一步提升定位精度、提高定位效率和完好性以及支持更多應用場景的定位，3GPP在無線電接入網（radio access network，RAN）第SA#94-e次全會上確定了Rel-18定位研究項目[7]，其中包含兩個方面的研究工作：第一，定位性能增強方面包含載波相位定位方案、低功耗高精度定位（low-power high-accuracy positioning，LPHAP）方案和載波聚合定位方案；第二，提升完好性和定位應用場景擴展方面包含輔鏈路（sidelink）定位方案、低能力等級終端（RedCap UE）定位方案和蜂窩網絡定位完好性方案。3GPP在SA#94-e全會上確定了Rel-18 增強位置服務第三階段研究項目[8]，包含定位參考設備（positioning reference unit，PRU）的研究工作，SA（Service and System Aspects）組將與RAN組合作，研究與使用RAN組中定義的PRU相關特定網絡功能，并研究5G系統（5G system，5GS）如何支持特定的參考用戶設備，以提高定位精度并減少信令開銷。

3GPP Rel-18定位研究項目中，基于5G信號的載波相位定位方案、LPHAP和PRU是實現高精度定位的3種關鍵技術方案。其中，與現有的3GPP NR定位方法相比，基于5G信號的載波相位定位方案能夠顯著提高室內和室外場景的定位精度，LPHAP的引入可以滿足海量設備位置跟蹤和危險區域人員定位等場景的低功耗、高精度定位需求，PRU通過消除基站間的定時偏差，有效地提高定位精度。

1 基于5G信號的載波相位定位技術

載波相位定位技術已經被廣泛地應用于全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）[9]，其核心思想在于利用測量載波信號的相位信息，獲取分米級甚至厘米級定位精度。載波相位中包含了待定位終端與基站之間的距離信息，可以用于計算終端位置。衛星定位的主要局限是在室內以及建筑物密布的城市峽谷地帶，終端往往難以接收衛星信號。相比于衛星定位，無線蜂窩網絡定位具有覆蓋廣、可配置性強、誤差來源少和路徑損耗低等優點，是一種高精度定位的可選方案。基于5G信號的載波相位定位技術的基本原理是通過測量5G信號載波的相位變化，獲取傳播時延或者距離信息，進行高精度終端定位。載波相位測量誤差一般小于載波波長的10%（例如，載波頻率為2 GHz時，載波相位測量誤差為1.5 cm），基于5G信號的載波相位定位技術的精度性能能夠達到厘米級。由于5G信號功率高、不受電離層/對流層時延等天氣干擾的影響，且5G網絡對參考信號發送有控制權，基于5G信號的載波相位定位比基于衛星的載波相位有可能取得更高的定位精度、更低的定位時延和更低的復雜度。

1.1 信號模型

1.2 關鍵技術

基于5G信號的載波相位定位需要解決以下3個關鍵問題：第一，實時跟蹤和鎖定連續或非連續載波信號，獲得載波相位測量值，如基于鎖相環的載波相位測量技術；第二，消除接收機和發送機的時鐘誤差，如基于參考終端的雙差分技術；第三，接收機準確地求解整周模糊度并且消除定時偏差以及頻率偏差的影響，如基于拓展卡爾曼濾波（extended Kalman filter，EKF）的UE位置解算技術。

1.2.1 基于鎖相環的載波相位測量技術

現有的衛星定位系統的載波相位方案基于連續信號，根據文獻[9]的分析，衛星系統采用載波相位定位方案，接收機必須連續不斷地跟蹤載波相位測量值。丟失信號連續性在接收機重新捕獲信號時導致不明原因的信號丟失以及載波周數跳變，即整周整模糊度的值在信號失鎖前后產生了變化。5G系統采用時分復用（time-division duplex，TDD）雙工方式時，TDD系統中的定位信號傳輸是非連續的，載波相位的估計會遇到PLL無法連續跟蹤載波相位的問題。以下行定位為例，PLL需要在下行傳輸周期期間快速鎖定載波信號，并從周期性下行信號中估計連續的載波相位測量值。影響TDD系統的載波相位鎖相環能否工作的主要因素是發射機和接收機的晶振性能和上行傳輸時間間隔。一種可行方案是利用相鄰兩段下行信號的頻偏估計值對間隔的上行信號頻偏進行插值估計，從而計算間隔上行時間內載波相位的變化量，進而估計下行信號的整周模糊度。

圖1 PLL原理框圖

1.2.2 基于參考終端的誤差消除技術

式（3）表明，受定時偏差與頻率偏差的影響，無法直接從PLL測量的相位中提取距離信息，因此需要進一步處理。此外，終端在獲取載波相位測量值的同時，還可以獲取到達時間（time of arrival，TOA）測量值。典型的TOA測量算法有自適應門限法[14]、互相關法[15]、MUSIC算法[16]等。定時偏差與頻率偏差對TOA和載波相位測量值的影響是相同的，下面提出了基于參考終端的TOA和載波相位測量值誤差消除方案。根據文獻[17]可知，在不考慮非直射徑、存在定時偏差與頻率偏差的情況下，TOA和載波相位測量值可以表示為式（8）、式（9）：

在已知參考終端位置的情況下，可以將雙差分測量方程進一步恢復為單差分測量方程。

如前文所述，載波相位定位技術的接收機需要準確地求解整周模糊度并且消除定時偏差以及頻率偏差的影響。基于EKF的UE位置解算技術可以在估計出整周模糊度的同時求解出UE位置，并且利用前后測量值的關系提高定位精度，因此推薦用于載波相位定位的接收機。一種可行的EKF算法的狀態變量包括用戶位置、用戶速度和雙差分整周模糊度。其中，輸入EKF算法的單差分載波相位測量值以及TDOA測量值是式（12）、式（13）結合參考終端位置計算得到的單差分測量值，EKF算法輸出的量是沒有進行整數化處理的整周模糊度，整周模糊度解算可以使用經典的LAMBDA算法[18]，具體EKF算法可以參見文獻[19]。

1.3 評估結果

仿真評估采用了3GPP Rel-17定位研究項目給出的室內工廠場景[20]，仿真配置參數參見表1。

表1 仿真配置參數

基于5G信號載波相位定位的水平維定位誤差如圖2所示，90%用戶的水平維定位誤差在1 cm左右。

圖2 基于5G信號載波相位定位的水平維定位誤差

2 LPHAP技術

LPHAP技術的引入主要是為了滿足海量設備位置跟蹤和危險區域人員定位等用例的定位需求。以上用例要求定位方案精度高且功耗極低（如設備的電池壽命需要長達一年或更長時間）。雖然在Rel-17 NR定位標準中，引入了對無線資源控制（radio resource control，RRC）非活動狀態（RRC_inactive Mode）下終端定位的支持[5]，但仍然需要在Rel-18中評估當前系統是否能夠滿足LPHAP的定位需求[21-23]。

由于工業物聯網設備大部分情況處于非連接狀態，而且終端降低定位功耗的需求越來越旺盛，因此支持非連接態（RRC_idle/RRC_inactive）定位成為降低功耗的新方向[4]。事件/周期觸發被叫式的定位業務（deferred MT-LR）適用于低功耗高精度終端，其業務的特點是當終端探測滿足預先設定的定位業務，如周期性觸發終端位置業務請求，滿足某類事件后，觸發獲取終端位置信息（具體見3GPP協議TS 23.273第6.7節[24]）。例如一個電池供電的跟蹤裝置，需要它在1 h的間隔內報告位置，或者當位置變化超過預定義門限時，獲取該裝置位置信息。該設備初始位置啟動可以在RRC_connected下執行，但后續的位置報告將從非活動狀態中受益匪淺，這極大延長了電池壽命[25]。因此，非連接狀態終端能夠通過減少狀態轉換帶來的信令開銷，在降低功耗的同時，仍然滿足蜂窩網的高精度定位[26]，被納入了3GPP Rel-18高精度定位增強的研究范疇[7]。

非連接狀態終端如果直接采用現有的連接態定位方法，存在兩個主要問題：第一，基站如何為非連接態終端分配上行定位參考信號資源；第二，各個基站如何正確接收該非連接態終端發送的上行定位參考信號。下面給出了非連接態終端定位解決上述兩個問題的方法。

針對問題1，設計專用的定位業務喚醒信號，用于定位業務的申請，在隨機接入過程中高效完成上行定位參考信號資源的分配。具體地，各個小區從所有的preamble碼集合中劃分出定位專屬preamble碼，作為定位業務喚醒信號。當某個終端需要配置上行定位參考信號資源時，使用定位專屬preamble碼發起隨機接入流程。基站根據該定位專屬preamble碼辨識該終端發起的上行定位參考信號資源請求。基站在后續隨機接入流程中為該終端分配上行定位參考信號資源，從而快速地完成終端與網絡同步，以及上行定位參考信號的資源分配。

課堂教學是高校思想政治理論課的主要教學手段，在多年來的高校思想政治理論課教學發揮了重要的作用，并取得了豐碩的教學成果。新媒體新技術時代的到來極大地緩解了課堂教學的壓力，有效地彌補了課堂教學手段單一的不足。思政課教師可以根據教學內容，選取個別知識點和重難點，將圖片、文字、視頻、講授結合起來，精心設計并制作微課視頻，通過學校網站展示、學生微信平臺轉發等形式讓學生在課余時間觀看，這種做法客觀上促使傳統的單向灌輸教學模式向多主體的學生自主學習模式的轉變。

針對問題2，終端在完成上述隨機接入流程后，向核心網發送進行定位業務的請求。服務基站建立與核心網的連接后，把該終端的上行定位參考信號資源配置信息上報給定位管理功能（location management function，LMF）。LMF將上述資源配置信息通知給周圍鄰區基站。服務基站和鄰區基站基于上述資源配置信息，接收并測量該終端的上行定位參考信號。

上述方法使服務基站和鄰區基站能及時接收非連接態終端發送的上行定位參考信號，獲取定位測量值并且把該測量值上報給LMF，便于LMF完成位置計算。該方法解決了非連接態終端與網絡的同步、定位參考信號資源配置和有效的定位參考信號接收窗設置等一系列問題，使非連接態終端在移動過程中也能低功耗地支持基于5G的高精度上行定位方法。

3 基于PRU的定位精度增強技術

眾所周知，定時誤差包括時鐘偏差和UE/基站的收/發定時誤差，會引起定位精度的下降。如經過設備校準之后，UE/基站的收/發定時誤差約為10 ns。考慮1 ns的誤差將導致30 cm的定位誤差，因此消除上述定時誤差可以有效地提高定位精度。例如，文獻[6]研究結果表明，當UE/基站的收/發定時誤差建模為[?2，2]的截斷高斯分布，= 5 ns，90%累積分布函數（cumulative distribution function，CDF）點的水平維定位誤差為3.411 m；當去除UE/基站的收/發定時誤差后，90% CDF點的水平維定位誤差可降低到0.128 m。

本節介紹基于PRU的定位方案。其中，PRU是位置提前已知或者能夠精確測量到的設備。該設備類型可以是參考終端，也可以是參考基站。基于定位參考設備消除基站之間的定時偏差可以有兩種方法：第一種是實時的雙差分，基本原理參見本文第1.2節；第二種是非實時的定時偏差預補償方案。在第二種方法中，基于該定位參考設備可以在一段時間內測量不同基站之間的定時偏差的差值，然后通知基站進行校準，或者把不同基站之間的定時偏差的差值上報給定位服務器，由定位服務器在進行目標終端的位置解算時預先消除。

從上述分析可知，利用參考UE的位置和測量值等信息輔助計算待定位的目標UE位置可以有效提高定位精度。但是LMF計算待定位的目標UE的位置時，3GPP現有的定位流程不支持LMF獲取參考UE的信息。為了解決該問題，文獻[27]提出了兩種解決方法，方法一為參考UE在注冊過程中向移動性管理功能（access and mobility management function，AMF）指示其支持參考UE的功能，AMF根據該能力，向LMF提供參考UE的信息，如標識、服務小區標識、關聯ID等。LMF可使用關聯ID向參考UE發送LPP消息。方法二為參考UE在注冊過程之后向AMF發送參考UE注冊請求，AMF將該請求消息、關聯ID和服務小區標識等一并發送至LMF。LMF存儲參考UE的信息，需要時直接使用關聯ID向參考UE發送LPP消息。上述兩種解決方法需要增強AMF和LMF的功能，且關聯ID是靜態分配且參考UE是唯一的，LMF使用同一關聯ID無法區分屬于不同定位過程的消息。文獻[28]認為需要對上述兩種解決方案進行端到端的評估，文獻[29]提出了AMF存儲PRU信息的方法，但未描述具體工作機制，例如端到端的信令流程。

文獻[30]通過在LMF中配置參考UE的信息以及將LMF作為LCS客戶端發起對PRU的定位過程。與上述方法相比，該方法不影響AMF的功能和現有定位流程。根據現有定位流程，AMF將為該定位請求臨時分配關聯ID，用于唯一標識與該定位請求相關的消息，因此避免了LMF使用靜態關聯ID觸發對PRU進行定位等問題，定位過程如圖3所示。

圖3 LMF作為LCS客戶端發起對參考UE的定位過程

上述方法雖然避免了對現有網元的影響，但存在路由迂回的問題，因為LMF作為LCS客戶端向網關移動位置中心（gateway mobile location center，GMLC）發送定位請求之后，經過GMLC和AMF的路由，該定位請求最終被重新路由至上述LMF，由該LMF觸發定位過程。當LMF從PRU

獲取測量信息和/或位置信息之后，為了避免對現有流程的修改，LMF需將上述信息發送至AMF，經過AMF和GMLC的路由，上述信息再次返回至LMF。如何避免該問題以及靈活地實現對PRU的定位，將是3GPP Rel-18定位技術的研究熱點之一。

4 結束語

本文重點介紹了3GPP Rel-18定位研究項目中的3種典型技術方案：基于5G信號的載波相位定位方案、低功耗高精度定位方案和基于PRU的定位精度增強方案。首先，介紹了基于5G信號的載波相位定位技術基本原理和OFDM信號模型。然后，介紹了針對3個關鍵問題的解決方案：基于鎖相環實時跟蹤和鎖定連續或非連續載波信獲得載波相位測量值；基于參考UE的雙差分技術消除接收機和發送機的時鐘誤差和收發定時誤差；基于EKF的UE位置解算技術求解整周模糊度并且消除定時偏差以及頻率偏差的影響。最后，基于3GPP室內工廠場景，仿真結果顯示該技術能夠取得90%用戶的水平維定位誤差在1 cm左右。LPHAP的引入主要是為了滿足海量設備位置跟蹤和危險區域人員定位等場景的低功耗高精度定位需求，Rel-18將評估當前系統是否能夠滿足LPHAP的定位需求。基于PRU的定位精度增強技術通過實時雙差分和非實時的定時偏差預補償方案消除基站間的定時偏差以提高定位精度，3GPP Rel-18定位將重點討論如何支持LMF獲取PRU的信息。

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High-accuracy positioning for 5G-Advanced wireless systems

REN Bin1, 2, ZHANG Zhenyu3, FANG Rongyi1, 2,3, REN Xiaotao1, 2, LI Jianxiang1, 2, HOU Yunjing1, 2, YU Zhe1, 2, SUN Shaohui1, 2

1. CICT Mobile Communications Technology Co., Ltd., Beijing 100083, China 2. State Key Laboratory of Wireless Mobile Communications, China Academy of Telecommunications Technology(CATT), Beijing 100191, China 3.Beihang University, Beijing 100083, China

With the rapid development of positioning technology, high-accuracy positioning technology for 5G-Advanced is receiving more and more attention. Firstly, the current situation of 5G positioning standards based on the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Release 16/ Release17 and the enhancement directions of the 5G-Advanced positioning technology based on 3GPP Release 18 were introduced. Secondly, the 5G orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) signal model and three key algorithms for carrier phase positioning technology were mainly studied, including: carrier phase measurement algorithm based on phase locked loop, double-difference algorithm based on reference user equipment (UE), and UE position calculation algorithm based on extended Kalman filter. Finally, the low-power high-accuracy positioning technology and the positioning accuracy enhancement technology based on positioning reference unit were analyzed.

5G new radio, carrier phase positioning, low-power high-accuracy positioning, positioning reference unit, integer ambiguity

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022041

2022?01?10；

2022?03?08

任斌（1983－），男，博士，中信科移動通信技術股份有限公司高級工程師，主要研究方向為無線蜂窩網絡中的高精度定位技術、非正交多址接入技術和隨機接入技術。

張振宇（1992－），男，北京航空航天大學博士生，主要研究方向為無線蜂窩網絡中的高精度定位技術。

方榮一（1993－），男，中信科移動通信技術股份有限公司工程師，北京航空航天大學博士生，主要研究方向為高精度定位技術。

任曉濤（1976－），男，博士，中信科移動通信技術股份有限公司高級工程師，主要研究方向為高精度定位、車聯網。

李健翔（1979－），女，中信科移動通信技術股份有限公司高級工程師，主要研究方向為高精度定位、空天地一體化網絡及定位。

侯云靜（1985－），女，中信科移動通信技術股份有限公司高級工程師，主要研究方向為定位、網絡切片。

于哲（1995－），男，中信科移動通信技術股份有限公司工程師，主要研究方向為高精度定位。

孫韶輝（1972－），男，博士，中信科移動通信技術股份有限公司副總經理，長期從事移動通信新技術研究與標準制定工作，主要研究方向為移動通信系統設計及多天線技術、衛星通信和定位等關鍵技術。