5G高低频信号定位精度分析

全一明，陈世安，刘广印，唐旭

( 1. 宁波市天一测绘设计研究有限公司, 浙江 宁波 315100；2. 南京信息工业大学 遥感与测绘工程学院, 南京 210044 )

0 引 言

如今基于全球卫星导航系统(GNSS)载波相位差分的实时动态(RTK)和网络RTK等技术具有精度高、测量时间短等诸多优点，已被广泛应用于测绘、导航等诸多领域. 然而该技术通常受限于户外开阔环境，在没有卫星信号的室内或城市峡谷地区等困难环境，定位质量下降较大[1-2]. 随着第五代移动通信技术(5G)的日趋成熟和快速推广，5G相关的协议(3GPP Rel16)已在2020年6月冻结，其中，TS 38.455 NRPPa[3]协议定义了相关的定位技术，支持更高定位精度的Rel17也将在2022年冻结.

一些5G通信设备制造商已经推出了基于5G的定位特性，如增强小区 (E-CID) 定位，其精度相对较低(几十米至几百米). 后续更高精度的5G定位技术，如基于到达时间差(TDOA)和往返时间(RTT)的定位技术将会在未来几年内逐步商用. 从系统架构层面看，5G定位技术的实现类似4G LTE定位，均使用定位服务器收集上行或者下行信号来计算终端的位置信息. 但5G定位在硬件、空口信号结构和测量信号上和4G相比又有如下区别：1) 5G的大规模天线阵列(MIMO)作为长期演进(LTE) MIMO技术的延伸，利用多重信号分类(MUSIC)算法[4-5]或者旋转不变子空间方法(ESPRIT)算法[6]，上行探测参考信号(SRS)可以提供更高精度的到达时间(TOA)和到达角度(AOA)测量；2) 5G下行的新定位参考信号(PRS)具有更大的带宽，可以提供更精确的TOA测量；3)相对于5G FR1(410～7 125 MHz，下文简称低频)，FR2(24 250～52 600 MHz，下文简称高频)毫米波信号可以提供100～800 MHz更大的信道带宽，极大地提升了上下行信号的TOA测量精度.

一些研究预测5G可以缓解GNSS在城市峡谷定位精度下降、覆盖不足的问题. 类似4G LTE，基于5G的A-GNSS可以根据用户终端当前所在的通信小区，将GNSS星历等辅助信息通过5G网络发送给用户终端[7]. 此外，5G高密集度的组网、超低的时延也为提高室内外定位精度提供了新的技术基础[8]. 彭友志等[9]通过仿真论证了5G/GNSS融合系统的水平在多径环境下可以达到亚米级精度. 文献[10]预测5G高频可以达到小于10 cm的定位误差.

基于5G新空口(NR)相关的已冻结的3GPP协议，下文将评估5G低频和高频信号测距精度，再介绍5G定位域算法，然后仿真高频和低频两个场景下的定位结果，最后总结相关技术难点和发展趋势.

1 5G信号测距精度评估

5G在空口物理层采用正交频分复用(OFDM)技术，支持更大的带宽，低频支持5～100 MHz信道带宽，高频支持50～400 MHz信道带宽[11]. 如图1所示，信道带宽包含传输带宽配置和保护带，在传输带宽配置范围内，用户端在激活的资源块(RB)上传输定位参考信号. RB是上下行业务信道可调度的最小物理资源单位，在频域上由12个连续的子载波组成，实际调度给用户的RB数随信道带宽、业务量、同一时间的用户数、信道条件等诸多因素影响而变化. 与4G LTE固定15 kHz的子载波间隔(SCS)相比，5G通过参数集配置支持15 kHz、30 kHz、60 kHz、120 kHz的SCS[11]. 上述参数配置决定了5G上下行定位参考信号的测距精度.

图 1 信道带宽、传输带宽配置和资源块的关系

对于已知信号带宽和信噪比(SNR)的5G定位参考信号，可使用克拉美罗界(推导可见文献[12]).计算对于单个用户的测距精度为

式中： σ2为测距精度方差； C RB 为克拉美罗界；c为光速；B为定位信号带宽； S NR 为信号信噪比.

根据5G协议3GPP TS38.101和TS38.211中的定义[11，13]，对于5G低频信号，信道带宽50 MHz，SCS取15 kHz，固定按最小粒度调度4 RB来计算，则PRS或SRS所在的每个RB的带宽为180 kHz. 同样地，根据信道带宽100 MHz的低频30 kHz SCS以及5G高频400 MHz下配置的60 kHz和120 kHz的SCS，在AWGN信道条件下可得到5G上下行测距精度与SNR的关系如图2所示.

由图2可知，得益于参考信号带宽的提升，5G高频定位的测距精度相对于低频有显著的提升. 如在20 dB SNR条件下，低频配置15 kHz SCS时的测距精度为1.17 m，而当5G高频配置的120 kHz SCS时测距精度可达到0.15 m.

图 2 5G信号测距精度与SNR的关系

2 5G定位算法

获取基站和终端间精确时延测量后就可以解算用户终端所在的位置. 由于实际用户与基站网络的时钟并不是精确同步的，计算时一般采用TDOA作为测量，来消去用户端的钟差. 常用的定位域算法包括FANG算法[14]和最小二乘算法. FANG算法主要基于求解多条几何双曲线/面的交点，对于二维的位置解算相对简单，三维定位较为复杂. 基于最小二乘的递归算法支持二维和三维的定位解算，本文后续的仿真也选择基于最小二乘算法，其方法和步骤简述如下：

1)首先选择任意点作为初始值或者上一次迭代解算的结果坐标x

式中：c为光速；t0为用户端的钟差.

2)计算

式中：[xbsn,ybsn,zbsn]为第n个 站的坐标；dn为当前估算坐标x至第n个站的欧式距离，并根据估算的坐标计算残差v

其中

式中，dn和dTDOA,n分别为估算坐标至第n个站的欧式距离和该站相对于差分站的TDOA测量.

3)计算修正量dx

4)将x修正为x+ dx并重复上述1)～4)步直到x收敛.

3 典型场景定位精度仿真分析

定位仿真场景配置如表1所示，表中的参数配置参照了3GPP协议以及当前5G商用网络所支持的典型参数，以便比较和计算5G定位可达到的最优性能.对于高频的室内微站，实现完美的时间同步在当前来看可能仍存在较大的技术挑战，而低频的室外杆站和宏站则由于所属不同的小区或气温变化等原因，时间同步难度更高，因此场景1、2、3、4配置了50 ns时间同步精度.

表 1 5G定位仿真场景参数配置

如同GNSS定位中可见卫星数及其几何分布对定位精度的影响，5G网络的站点数量及分布和用户端的定位误差也可能存在密切关系. 因此，在场景3、4中增加站点数量至6个，且为六边形蜂窝状分布.

场景5、6、7、8用于对比高低频不用带宽的参数配置对定位精度的影响. 场景7、9、10、11用于评估在实现完美时间同步的条件下，站点数量与定位精度的关系，站点的分布如图3所示. 需要注意的是，实际场景的配置和本文中的仿真配置可能存在区别，比如现网的站点分布可能并非正多边形.

根据仿真结果图4所示，在50 ns的时间同步精度、用户端接入4个站点条件下，5G低频水平精度约为15 m，此时不同带宽配置对定位精度的提升并不显著，而增加2个站点可将水平定位精度提升至约13 m. 图5的结果显示，在完美的时间同步条件下，5G低频15 kHz和30 kHz SCS的水平定位精度可以分别达到1.22 m和0.63 m(1σ)，高频60 kHz和120 kHz SCS的定位精度约为0.32 m和0.16 m(1σ).

图 3 测试场景的站点分布

图 4 5G低频在50 ns同步精度下的定位仿真结果

图 5 5G高低频在完美时间同步条件下的定位仿真结果

由此可见，站间时间同步精度是目前影响5G定位质量的重要因素. 如果在技术上可以实现完美的时间同步，或者通过在用户端附近增加定位节点以双差的方式消除站间时间同步误差，那么5G定位理论上在开阔的环境可以达到分米级的水平精度，此时提升定位信号的传输带宽可以显著提升定位精度. 精确的时间同步对于5G高频的室内微站(所有站点连接同一块基带处理板)是有可能实现的，但对于室外的杆站和宏站，实际环境由于信号多径、遮挡等诸多原因，其定位精度很可能无法达到亚米级.

类似GNSS定位中可见卫星数及其分布对定位精度的影响，仿真结果表明：5G网络的站点数量和用户端的定位误差也存在密切关系. 图6的仿真结果显示，在实现了完美时间同步的条件下，增加站点数量可以进一步提升5G高频定位精度. 当站点数量从4个增加到7个，水平定位精度从0.31 m提高至0.24 m.

图 6 站点数量对5G高频定位精度的影响

4 结束语

本文根据5G NR 3GPP相关的协议及相关定位特性的规划，描述了5G定位和4G LTE定位特性的区别，评估了5G高低频信号的测距精度，介绍了相关的定位算法，并基于3GPP协议和典型商用网络配置的典型参数对5G定位质量进行了仿真评估. 评估结果表明：参考信号带宽的提升可以显著提高5G高频定位的测距精度. 仿真结果表明：站间时间同步误差是影响5G定位精度的最主要因素之一，当站间时间同步误差为50 ns时，定位精度约15 m. 在消除时间同步误差的前提下，提升参考信号的传输带宽可以显著提升定位精度. 在完美时间同步、无多径等理想条件下，5G低频水平定位精度可以达到0.63 m，高频水平定位精度最高可以达到0.16 m. 此外，增加站点对用户端的定位精度也有一定程度的提升.

3GPP的协议中定义了5G高精度定位业务等级和相应需求[15]. 本文实验结果表明：通过完美时间同步或者增设定位节点作双差来消除站间时间同步误差后，5G低频定位有望满足3级定位业务需求(1 m精度)，5G高频100 MHz带宽的毫米波定位精度可以满足6级定位业务需求(0.3 m精度).

目前支持更高精度定位的3GPP R17协议尚未冻结，支持高精度定位的5G高频基站在国内尚未广泛商用，因此本文的仿真评估结果是基于当前协议架构支持的参数配置的理论最优值，反应了5G定位质量的上限. 在实际环境中，最终的定位质量可能会受到基站接入用户数、上行功率控制以及信号的同频干扰、多径、遮挡等诸多因素的影响. 在R17协议冻结和相关的定位特性落地后，未来的研究工作可在实际场景中评估上述因素对定位精度的影响.