5G对定位技术的影响

5G将诸多新技术交织为一体并造就了无线通信的巨大飞跃。从现在到2020年初，随着5G设备和网络的不断涌现和持续扩大，蜂窝联网将改变今天的智能电话体验，为每一个行业开创全新的用例，例如汽车、智能工厂和远程医疗等。

位置和定位技术是5G涉及的最有意思的领域。从汽车到实时远程控制的各类全新用例正在推动定位信息在精度、速度和可用性方面的巨大改进。5G不仅增强了A-GNSS和OTDOA等现有的4G定位技术，还引入了一些全新技术，如使用波束塑型信息确定垂直位置等。

当然，为了确保全新的5G设备和服务所具备的性能，对此类新型5G技术执行必要的测试至关重要。此外，在近期对5G设备中的4G定位性能进行测试同样也非常有意义。推动这一测试需求的因素有两方面：

在需要紧急呼叫位置信息时，5G设备将使用4G LTE波段和协议。虽然LTE定位设计在4G设备中的工作效果非常完美，但5G NR却有可能对LTE定位设计造成潜在干扰。

在深入讨论这些主题和5G细节之前，我们将对与蜂窝网络有关的定位技术加以简述。

蜂窝定位技术——不只是GPS卫星

如果您问智能手机用户的iPhone或Android设备执行精确导航的秘诀是什么，多数人很可能回答“全靠GPS”。尽管卫星定位确实是构成蜂窝定位技术的基础，但仅凭GPS并不能满足最重要的蜂窝电话位置要求：在紧急呼叫中快速和精确地确定呼叫者的位置。因此辅助GNSS（A-GNSS）便应运而生。

GNSS为全球导航卫星系统，服务遍及全球的GNSS系统包括北美的全球导航系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗、欧盟的Galileo，以及印度、法国和日本的其它几个区域性系统。

当手机发出紧急呼叫时，手机可能需要用数分钟的时间才能发现适当GNSS卫星的信号，并且接收到数量足够的定位信息（即所谓的星历），并以此计算出自己所在的位置。因此，这种启动时间，即所谓的初次定位时间（TTFF），就成为紧急情况下的一项关键性能参数。

为帮助手机实现更快的TTFF，蜂窝网络伸出了援手。利用A-GNSS技术，蜂窝网络可以利用已知的用户位置（例如用户当前连接的基站位置），查找实时数据库中的即时卫星位置，并且发送应监听卫星的手机信息。这种“辅助数据”可以将首次定位时间（TTFF）缩短至几秒，而无需数分钟的时间。

蜂窝网络还有其它几种招数可以利用，即便在卫星信号较弱或无服务的情况下也能确定位置。

从3GPP Release 9开始，LTE提供了增强蜂窝ID（ECID）和OTDOA。在ECID中，移动设备会测量信号往返基站的时间，以及所见的邻近基站功率水平。设备会将这些信号报告给网络，而网络则会利用这些数据来确定设备的位置。在OTDOA中，设备会以类似的方式测量信号计时，但这里测量的是多个邻近基站的到达时间。网络则会利用这一计时信息对设备进行三角定位。

Wi-Fi经过扩展后也可以充当有效的室内位置技术，而且已经成为一些美国主要运营商满足美国联邦通信委员会（FCC）要求时所采用的强制性技术。公有和私有Wi-Fi接入点（AP）的普及可以让多种设备具备控制定位信息的能力。此外，多数新设备都具备Wi-Fi能力，使之成为一种廉价且可快速推向市场的技术，为基于位置的服务提供有益的辅助。

将A-GNSS、ECID、OTDOA和Wi-Fi结合为一体后可形成一种“混合”定位系统，能够同时提供室内和室外定位信息。

为何更高位置精度和可用性的需求如此迫切？

虽然听起来很酷，但基于GNSS和LTE的混合技术已经不足以满足日益高涨的位置需求和法规要求。在接下来的内容中，我们将探讨5G和多种其它技术如何在未来几年中逐步填补这一空白。那么，我们将面临哪些新的要求呢？

法规方面的驱动因素

在移动位置精度方面，最有影响力的驱动因素可能就是美国联邦通信委员会（FCC）制订的移动紧急呼叫（E911）法规要求。其它的主体也照搬了联邦通信委员会的要求，例如欧盟的E112和汽车领域的eCall法规。在世界范围内，整个行业也都从满足FCC强制性法规要求的全球手机产品中受益匪浅。

近二十年来，FCC一直在努力推动更高的位置精度。1995年定义的E911第一阶段只要求提供呼叫者的电话号码和蜂窝塔ID。而到本世纪初时，要求提高到了在六分钟内实现300米的精度。随着我们的生活与无线连接关联越来越密切，依赖程度也越来越高，FCC还在不断推进安全要求的进一步发展。2017年，FCC要求运营商必须将所显示的移动E911呼叫至少40%达到50米以内的精度。

到2021年中期，运营商将必须让所有室外和室内移动紧急呼叫中的80%达到50米内的精度。

商业方面的驱动因素

位置精度和任意地点可用性的第二项巨大驱动因素就是经济。随着无线技术在过去几十年中的爆炸性增长，新型应用的机遇也是层出不穷。今天的定位要求已经包含无数种新型和构想的人机和机器间使用案例。这其中就包括增强现实、健身、可穿戴设备、基于位置的实时广告、包裹追踪、资产追踪、工厂车辆、共享自行车，等等。

3GPP正在开发不同用例上的精度、时延和可用性要求，目的是协助为5G无线技术开发提供指导。尽管许多用例和要求还在考虑之中，但有几个大致方向的位置要求已经相当明确。

5G和其它技术也在不断扩展定位工具包

4G LTE蜂窝、GNSS和混合定位技术都可以达到10至12米的精度范围，而且其初次定位时间和更新时延也在数十秒的范围内。这些范围都不足以满足建筑物内资产管理或无人机的定位需求。

为了超越目前的性能，并满足精度和速度方面不断演进的严格需求，许多创新型技术已经进入了开发阶段。

• 先进的Wi-Fi技术（802.11mc）引入了精细时间测量（FTM），可测量接入点（AP）和设备之间的距离，且精度可达1至2米，而不仅仅是使用RSSI或Wi-Fi AP的物理位置。在多接入点FTM测量中，该技术还可执行三角定位（类似于OTDOA），能够获得非常精确的位置。
  

• 终端设备能够利用设备所载惯性、磁力和气压传感器，为实现更高的位置精度做出贡献。

• GNSS技术正在不断改进。美国的GPS系统已经推出了L5波段，不仅可以提高精度还可加强信号的健壮性。L5等支持GNSS芯片组增强技术和同时扫瞄多个GNSS频率的能力已经成为蜂窝手机中的一项常见配置。

• 地面信标系统使用蜂窝塔发射且可穿入室内的无线电信号，创建出一个精确的三角定位网络。人们目前正在探索将此类系统用于紧急呼叫、公共安全和其它多种应用。
  

5G技术还可为我们提供多种全新的资产：

• 5G是一种宽带技术，而且其更高的带宽可以实现设备与gNodeB基站之间交换的更多定位信息（定位参考信号，缩写为PRS）。
  

• 5G同时还引入了大规模MIMO和波束塑型技术的组合。在LTE中，基站在最好的情况下也只可能知道用户所在的扇区（通常为120°水平范围）。波束塑型切分基站可以发射出许多空间组成部分，而且只有几度的范围，因此就可以提供更高的位置精度。5G波束塑型天线不仅涵盖水平范围，它是一种二维天线组件阵列。这就使5G能够查明用户所占用的垂直波束，从而实现垂直z轴定位。

• 更高的频率能够实现分辨率更高的波束塑型。当5G部署到毫米波频率（28GHz和更高）时，“无线空间”将被切分为许多波束，且波束之间的夹角只有几度，因此便能在水平和垂直空间上实现高得多的精度。

• 小蜂窝、微微蜂窝和毫微微蜂窝。毫米波频率下的无线确实存在自身的问题：它的传输距离不会太远，而且很容易受到树叶、雨滴、墙壁，甚至人的头部和手部等阻碍物的阻挡。业界将通过密集化的方式来克服RF传播的问题。通过每隔几百米安装一个小蜂窝，5G移动设备将在视线多路径无线上具备更好的访问能力。同样，蜂窝（包括微微蜂窝和毫微微蜂窝）和“分布式天线”（DAS）将安装到各类公共和部分私有空间中，实现室内和地下的信号全覆盖。室外密集化和室内覆盖的益处是位置精度得到了大幅提高，包括最初的室外环境，以及后来的室内和地下环境。

• 协议升级也将发挥作用。为了处理所有这些定位数据的新来源，LTE蜂窝网络中所用到的主体协议将升级至未来的3GPP版本。
  

在3G和4G中，基站信号会覆盖很大的范围。而在（图中所示的）5G波束塑型中，二维区域天线使每位用户都能得到一个较窄波束的服务，且该波束只覆盖一个特定的水平和垂直空间。

5G位置技术的时间线

在未来的几年中，今天的定位技术将分阶段融合到5G增强特性中。

在第一阶段，5G手机和设备将以独占方式使用4G LTE定位技术。这一过程中既包括5G使用4G LTE核心来建立呼叫的非独立（NSA）模式，也包括5G使用自有5G核心的独立（SA）模式。

即使是在5G SA模式中，提供语音通信的设备仍将使用双模式4G/5G调制解调器，并且会回退至4G状态下来拨打E911和其它紧急呼叫服务。

在第二阶段中，位置信息将在5G原生的用户设备和基站之间实现交流。这一阶段中还可能包含5G所实现的某些性能改进。

在第三阶段中，从新型5G资产（上面已经提及的更高带宽、波束塑型、更高频率和密集化）获得定位能力的增强特性将全面推出。

3GPP的5G 第15版、16版和后续版本对5G定位技术的演进做出了规定

5G位置测试中的挑战

5G定位的所有这些“奇迹”都让精确的性能测试变得必不可少。网络供应商和设备制造商已经在努力了解各种潜在的挑战，并设计不同的测试方法，确保基于位置的系统能够达到预期的性能。例如，在3GPP中，有多个工作组和工作项目都与5G定位技术直接关联。

如前文所述，5G设备和网络将首先在NSA和SA网络中使用现有的4G LTE定位技术，尤其是在需要紧急呼叫服务的地方。

类似的情形也曾出现在4G刚刚推出之时。当时的4G手机均为3G/4G双模式，并且多年来在E911紧急呼叫时只使用3G。（相关的历史：在4G的历史中，LTE服务在全美推出7年之后，LTE领军服务商之一Verizon才部署了第一台不使用任何3G网络的手机）。最终的双模手机会在拨打E911时使用3G，因此也会遇到各种位置性能问题，而且这些问题都在测试中一一反映出来。作为定位测试保障领域的领先公司，思博伦发现，在大量的3G/4G设备中，全新的LTE波段都会干扰设备的GPS卫星定位接收机。而且由于协议或处理优先顺序的问题，3G/4G设备经常无法精确地执行3G位置定位。

密切关注潜在的问题

为确保历史不再重演，测试团队需要在5G实施的早期阶段密切关注多个类型的问题：

• 为适应双模4G/5G设备，R15对4G LTE LPP定位协议进行了修改，因此，应重点确保这些修改不会对性能产生不良影响。

• 多个波段之间的互动很有可能会引入一些全新的严重干扰问题，并且会对接收GNSS信号的能力产生不良影响。由于5G设备会同时连接至5G NR和4G LTE，调制间（IM）和第三方谐波失真可能会出现在和差频率上。例如，3.5GHz和5GHz范围上的5G NR和LTE第4波段组合时会在主GNSS波段（L1）上直接叠加IM RF功率。其它常见的波段组合也会产生需要关注的类似IM问题。

• 在5G到4G的回退场景中，需要对其时延进行测试和测量，例如当5G NSA设备拨打语音呼叫时。这样做的目的是确保设备能够成功且快速地实现4G定位。

• 对处理器延迟也需要进行评估，只有这样才能确保优先处理顺序得到正确的管理。当设备在各模式之间切换，建立会话或利用5G背景数据时，它们需要将紧急呼叫场景中的定位算法设定为最关键的优先处理级别。
  

这些效应的核心在于，5G设备中的4G技术必须经过验证后才能确保TTFF和位置精度性能不会受到不良的影响。今天的法规要求比上一次换代时严格得多。此外，有些区域还要求执行紧急呼叫的传导和OTA一致性测试。要想满足这些要求，4G测试系统就必须升级至最新状态，为5G NSA和SA连接提供完备的支持。

在迈向5G定位下一阶段的过程中，5G设备的设计师将面临更加严格的要求。位置测试方法需要不断进行自我调整来应对更为复杂的OTA用例，以及阵列天线和水平+垂直波束等技术。在面对毫米波频率的设备时，头部、手部和其它的遮挡问题也需要予以充分的考虑。室内测试将成为位置测试中一个关键的组成部分。

只有同时涵盖实验室和实地测试的方法，才是确保成功的最佳途径。

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