基于5G 高精度融合定位技术的研究

李越鳌，彭业顺，陆伟继，李嘉玲，陈家心，林晓基

（威凯检测技术有限公司，广州， 510663）

引言

随着卫星定位技术的的融合演化发展，无线定位技术从军事专用逐步向民用商业化和服务化，在数字化、信息化的不断推进，以及5G 与各个行业的加速融合，定位服务覆盖至社会生活的方方面面，已成为构建智能化社会的重要基础能力。

随着得到广泛应用的定位服务，人们对定位精度要求越来越来高的室内环境，用户希望在公共图书馆、商业办公楼、密集大型商场、以及机场大厅等复杂场所能够基于LBS 获得高精度定位。在地铁和铁路隧道、金属矿井等精细领域需要保证工作人员的准确位置；在智能物流领域需要获得物品的实时跟踪、以及室内物品管理和追踪的定位技术；在自然灾害领域能够获得受灾人员所在位置等方面，需要精准的亚米级室内定位技术，实现智能化管理、目标监控和搜索。

1 现有定位技术

定位技术分为室内和室外定位技术，室内定位技术有无线局域网（Wireless Local Area Networks；WLAN）、蓝牙（Bluetooth）、 紫蜂协议（Zigbee）、 超宽带（Ultra-wideband，UWB）、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、超声波、红外线、计算机视觉等定位技术；室外定位有蜂窝网络、雷达、卫星等定位，如图1 所示。

图1 多种定位技术分布图

1.1 无线局域网定位技术

无线局域网（Wireless Local Area Networks；WLAN）定位网络主要采用指纹或者CELL-ID 的定位原理，是目前应用范围最广的无线通信技术，具有安装方便、成本低等优势。相比开阔的室外环境，室内环境还是比较复杂，但是WLAN 定位精度受墙体阻挡、信号和门窗的折射等影响，使得基于无线定位技术出现范围受限、功耗高、不稳定、精度不高、安全性差等现象。

1.2 蓝牙定位技术

蓝牙（Bluetooth）在智能终端设备中基本得到广泛普及，采用的定位技术原理基本与Wi-Fi 相同。蓝牙5.1版本目前采用AOA 定位技术，在图书馆、智慧城市和工厂等多样化场景得到应用。蓝牙AOA 具有定位精度高、容量大、功耗低、成本低等优势。

1.3 超宽带定位技术

超宽带（Ultra-wideband，UWB）定位技术具有功耗低、抗多径好等优势[1]，是基于极窄脉冲的无线技术，具有亚纳秒级或者纳米级的脉冲宽度，达到厘米级的定位精度，穿透和抗多径能力也比较强，适用多种特定环境下的定位部署，由于较短的通信距离和成本高，应用范围受到限制。

1.4 射频识别定位技术

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）定位技术是基于传感器技术，是通过测量多个射频识别读卡器的信号强度计算得出的位置坐标的定位方法。射频识别（RFID）定位是采用到达角度定位（AOA）、信号强度信息定位（RSSI）、时间定位信息（TOA 和TDOA）三大类定位方法。RFID 从几厘米到几十米，覆盖距离比较短[2]。虽然射频识别定位精度比较高，但是存在噪声比高、覆盖范围不足、安全性差、等受限问题。

1.5 移动通信基站定位技术

从定位的原理上可分为3 种类型：基于分析场景、临近关系以及运算和三角关系的定个位技术。三家运营商在通信基站建设中，也适用于室内定位，为了满足用户的定位需求，同时也建设室内分布系统使室内定位服务得到快速的提升。

1.6 卫星定位技术

以获得广泛应用的全球卫星导航定位系统（GPS）和北斗卫星导航定位系统（BDS）为主要定位技术，已经实现了授时、导航、定位等功能。在宽阔无阻挡的环境下，卫星定位基本满足用户需求[3]，但由于受到楼宇、室内复杂的建筑，峡谷等阻挡时衰减严重，无法精准定位室内位置。

1.7 4G 定位技术

传统的移动通信网络具备上行到达和观察时间、以及定时提前量等定位功能，还是无法满足用户室内的定位需求[4]。为了完善非RAT 和增强RAT（Radio Technology）等定位方法，3GPP 针对3G 和4G 开展R13、R14 版本的室内定位技术的研究。在R14 版本的标准定位技术主要在不同传输节点下终端能够区分共享PCI 进行定位测量其个数，从而使精度得到提升。为了进一步提升定位精度，R14 为了让终端能够识别到额外的定位参考信号，将传输节点只引入传输定位参考信号，以及由于导致测量误差的多径衰落将多径下的TOA 上报给网络端来解决这个问题。在R14 标准的定位技术中，4G 定位精度还处于单一的、缺乏多种定位技术融合、缺乏深入研究和标准化、层次化的定位技术框架。

1.7 其他定位技术

除了以上分析的室内定位和室外定位技术之外，还有Zigbee、红外线、地磁、超声波等定位技术，这些定位技术在实际应用中比较少，本文就暂不详细分析其定位技术。根据室内定位的需求量越来越大，研究员提出了不同设备不同场景的众多室内定位技术的解决方法[5]。如表1 所示。

表1 室内不同定位技术的优缺点

2 融合定位技术的现状

当前室内无线定位有Wi-Fi、Bluetooth、UWB、惯性导航、5G 等技术，室外定位有卫星、移动通信基站等技术，为了提高定位精度、可靠性、安全性和扩大适用范围，需要尝试融合多种不同外置信号源的定位技术。

2.1 惯性导航（Inertial Measurement Unit,IMU）和Wi-Fi 的融合技术

Wi-Fi定位技术是通过指纹匹配法或者测距交汇法，利用Wi-Fi 信号和场景布置目标基站来获取定位目标信息。为了提高室内导航的稳定性和高精度定位，利用Wi-Fi 定位特点和IMU 定位算法累积的校正误差，以及无迹卡尔曼滤波算法，实现融合定位数据的有效缩小误差[6]。其工作原理如图2 所示。

图2 Wi-Fi 与IMU 融合工作原理

2.2 蓝牙和Wi-Fi 的融合技术

蓝牙定位信号与Wi-Fi 不同，但定位原理基本相似，蓝牙覆盖范围较小大约（10~90）m，具有功耗低、传输快、适用范围比较广等优势[7]。文献[8]提出了基于Wi-Fi 和蓝牙融合定位的误差区域加权算法，其算法采用两种信号强度的多次测量通过离线阶段进行融合加权获得具体位置信息，其次利用移动最小二乘插值法得到的拟合函数进行分析，算出加权拟合误差，再与融合位置信息结合处理，最终取得融合优化后的估计。其工作原理如图3 所示。

图3 Wi-Fi 与蓝牙融合工作原理

根据Bluetooth 和Wi-Fi 的融合获得二维定位区域进行多边测试模型简化和加权融合，以及通过加权拟合误差分析定位误差模型获取的融合定位信息，从而减小噪声影响，提高了干扰性的定位方法。

2.3 超宽带和惯性导航的融合技术

超宽带（Ultra-wideband，UWB）是一种速度快、耗电低且通过脉冲信号传输的个人无线网络数，这种技术在家庭和个人局域网、以及雷达的短距离通信等领域应用；惯性导航技术是利用惯性测量单元（IMU: Inertial Measurement Unit）测量物体的加速度和角速度是通过加速度计和陀螺仪等传感器来实现的，从而确定其方向、位置和速度，它是一种基于物体惯性特性的导航方法。这种技术广泛的应用在航天、导航、自驾等领域。

为了实现IMU 和UWB 的融合能够提供精准的定位技术，文献[9]中，作者主要是以基于IMU 和UWB 的室内融合定位技术，该技术是利用近似卡尔曼滤波算法和高斯分布函数对IMU 和UWB 单独定位结果处理后进行无损变换，通过验证和分析得出两组预测数据和定位结果，从而扩大适用范围和提高定位精度，如图4 所示。

图4 IMU 和UWB 融合工作原理

2.4 卫星网络与卫星网络之间的融合技术

多种卫星网络融合技术也是解决定位精度不足的方法，越来越多的卫星都参与到网络融合方面，不仅能提高定位精度，同时也能增强不同卫星网络的兼容性。文献[10]中，作者提出了全球卫星导航定位系统（Global Navigation And Positioning Satellite System，GPS）和北斗卫星导航定位系统（Beidou Satellite Navigation And Positioning System，BDS），以及格格纳斯导航系统（Global Navigation System，GLONASS）多种卫星导航系统高精度融合定位技术，能够提高卫星的布局空间和导航性能，从而有效降低衰减因子的精度，以及实现高精度的联合和载波相位的数据融合。

3 5G 无线通信定位技术的提升

针对目前2G/3G/4G 在网络部署存在不足、定位服务受限、共址网络并存的干扰等状况，无法解决当前用户需要求的定位服务。而5G 融合定位将是未来的发展趋势。

3.1 提升无线技术

5G 具 有 大 规 模MIMO（massive multiple-input multiple-output）技术、空口技术、毫米波等关键技术[11]，是距离和角度测量高精度定位提供必要条件，使定位精度提高一个量级。

3.2 优化定位方式

5G 通信技术具备有上下行定位技术。5G 网络的上行定位是通过基站接收到终端发送的信号进行定位检测，而5G 网络的下行定位是通过终端接收基站发送的信号进行定位检测。如表2 所示，5G 网络的下行定位具有定位精度高、定位时延低、覆盖范围广、发射功率大、容量不受限制等特性，发挥下行定位的优势，降低定位场景的网络密度要求，增强5G 定位技术的优化和演进，提高5G 网络定位技术的服务范围。

表2 上行定位和下行定位对比表

3.3 基于5G 网络的信号时间到达差和角度到达测距定位技术

到达时间差（TDOA）和到达角测距（AOA）在增强室内无线定位技术最为基础。首先，5G 网络采用大规模MIMO 天线阵列技术，使其波束分辨率更高，以及实现测试角度和测试距离的高精度定位；其次，5G 网络采用毫米波技术方向性比较好，有利于提升测角和测距的高精度定位。综合上述可得出，基于5G 网络的AOA 定位方法比原有的传统4G 网络定位精度更高、性能更好；而5G 网络具有高精度同步等技术有助于TDOA 定位精度的提升。

TDOA（Time Difference Of Arrival）定位法是根据移动终端接收到来自不同基站信号的时间差进行计算。定位原理如图5 所示，利用TOF 方法把到达时间差改为两路信号作为观测量代入双曲线方程，于是双曲线交点处为被测节点。于TOA 定位法相比，TDOA 定位法无需被测节点与基站时钟同步，有利于在实际应用中系统结构更加简化。

图5 TDOA 定位方法原理图

AOA（Angle Of Arrival）定位法是根据阵列天线获得到达基站无线信号的相位差，计算信号到达的角度，AOA 的定位原理如图6 所示。AOA 定位法的空间直线方程是通过测量角度来计算，在终端定位中只需要两个基站即可，由于AOA 的测量方程运算复杂多变，计算过程需要经过多种方程式来验证，本文设坐标系轴均与极轴同向的二维方式来分析，其误差观测方程如下：

图6 AOA 定位方法原理

式中：

ρi，θi—坐标锚点；

ρ，θ—坐标为终端；

α—测量角的相对极轴。

根据以上方程计算误差的测距为：

式中：

L—终端和基站之间的距离；

∆θ—角度的误差。

终端和基站之间距离的线性函数是通过位置误差来计算，且反射环境对αi的影响比较大。

4 基于5G 融合定位和电磁干扰分析

随着无线通信快速的更新换代，5G 无线通信技术不断演化，5G 高精度融合定位已向厘米级趋势发展。在5G 终端和其他终端模组的普及，5G 定位技术将会得到广泛的应用，未来将以5G 定位技术为主。综合考虑5G室内外定位融合的建设成本、技术优势、赋能互补、服务定位的演进方案。以下分析比较经典的室外定位融合技术。

4.1 融合定位分析

目前定位技术比较成熟的是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），综合PNT的框架下，5G 与GNSS 融合将会是重点部署的解决方案，GNSS 的主要不足之处是在城市峡谷以及室内环境中的障碍物阻挡，导致定位精度差、信号不稳定等现象，而“5G+GNSS”将会弥补全球导航卫星系统定位的不足[12]。全球导航卫星系统为5G 定位在时空基准下提供准确的坐标基准和时间基准，北斗卫星导航系统是我国自主研发定位技术，“5G+北斗”将会是融合定位的推进方案。

如图7 所示，利用融合5G 定位数据和北斗定位数据处理的服务平台，收集北斗、5G 基站和地面准基站的定位数据进行自动化数据处理，为不同终端提供不同的定位服务方式。5G +北斗在播发数据、定位能力、节约成本等融合方面将体现高精度定位的优越性。在播发数据方面，通过信令的方式来完成，利用卫星准基站的网络信号所产生的区域网格进行差分运算修正模型，通过网络点格和基站布置区域之间的关系，向基站发送定位信息和终端传输数据；在定位能力方面，北斗利用5G 的覆盖能力对自身定位服务不足进行有效补充，从而形成室外高精度定位的全域覆盖网络；节约成本方面，卫星导航需要利用5G 大量的地面准基站资源，快速部署，节约运维等推进措施。

图7 5G +北斗定位融合架构图

4.2 北斗信号受5G 信号干扰分析

随着5G 通信系统诞生和快速发展，具有低延时、高容量、速度快等性能；而北斗导航系统能为用户提供高精度定位、实时和可靠的位置通信服务；两者都是我国重要的基础设施建设，同时对5G 和北斗频段进行划分，根据如表3 所移动的n41 频段与北斗的S 波段相邻，容易导致相邻频道信号干扰。

表3 5G 与北斗频段划分表

北斗的特殊服务系统为卫星无线电测定业务且位于北斗的S 波段，频段与5G 移动基站频段邻近，由于北斗S 波段的落地功率低于5G 基站的功率，容易受5G 基站信号的干扰。卫星无线电测定业务机信号路径主要有进站信号和出站信号，进站信号频段主要位于L 波段与移动5G 基站频段较远，而出站信号频段位于S 波段与移动5G 基站频段邻近，电磁波信号影响较大。

北斗的S 波段的业务机在外部环境造成的电磁波干扰主要有在频带内的干扰和在频带外的干扰，在频带外的干扰是受到北斗S 波段在相邻频段干扰信号的渗入，造成北斗卫星无线电测定业务的非线性元器件的饱和、失真和降低灵敏度，但可以通过增强在频带外抑制滤波的接收机指标来对消；而在频带内的干扰主要是发射信号端在非线性器件以外的工作频带造成的辐射信号干扰渗入北斗S 波段出站信号内，降低北斗卫星无线电测定业务用户端的灵敏度和提升底噪，可以采用较大增益扩频码可以提升北斗S 波段发射功率带内的抗干扰能力。

4.3 干扰解决方法和测试

为了保证北斗S 波段和移动5G 基站的兼容性，提出以下几种干扰解决方式：

①在北斗卫星无线电测定业务用户端安装干扰滤波器或者更换低噪声放大器、可大幅度增加隔离度；

②采用较大增益扩频码可以提升北斗S 波段发射功率带内的抗干扰能力。

③降低5G 基站的发射功率和增强在频带外的抑制性，从而降低北斗S 波段无用功率和在频带外的干扰。

④调整5G 基站天线辐射方向角和下倾角，可以缓解北斗S 波段的干扰。

从以上4 种方式解决5G 基站与北斗S 波段在邻频干扰影响5G 与北斗融合定位的精度。在开阔环境要求周围无遮挡物的定位轨迹，以5G 基站与北斗通信情况和定位精度的测试，使用5 台业务机放置5G 基站的不同距离，其中3 台业务机是安装了干扰滤波器经过以上4 种干扰解决方式优化整改后测试，2 台业务机没有安装干扰滤波器且无任何优化整改5G 基站和卫星站，测试距离分别为30 m、60 m、90 m，分别对每个点进行10 次通信和定位测试。如表4 所示测数据可以得出终端在40 m 处与基站的通信率达96 %以上是安全的距离，在调整5G 基站功率、最大辐射方向角和下倾角度后，大幅度降低北斗S 波段信号的干扰。同时在5G +北斗的融合定位进行测试，其精度达到0.23 m（可靠性为50 %）和0.52（可靠性为90 %），符合室外终端定位技术实时追踪轨迹定位能力要求。

表4 不同距离用户机通信率

通过以上融合定位分析，北斗S 波段与移动5G 基站电磁波干扰的分析和干扰测试，5G+北斗融合定位将大幅提高定位精度，随着5G 无线通信技术越来越成熟，兼容性高、抗干扰强、延时低等特点，将是未来的发展趋势，后续在改善5G 对卫星和其他无线技术的电磁波干扰问题需要深入的探索和研究。

4.4 5G 总体异构融合定位架构

融合定位技术是对多种无线定位的技术兼容、智能一体化融合的定位技术，从而输出精准的定位结果[13]。融合定位具有多样性和多层次融合、决策机制的融合定位技术、以及一体化异构融合定位架构等特性。如图8所示。

图8 基于5G 总体融合定位技术框架

异构融合架构主要分为信号测量、基本位置估计、融合位置、位置预测和决策与反馈。信号测量是对多种融合定位技术的设置、兼容、信息采集、信号分析和测量等；基本位置估计是利用定位算法得出独立定位技术系统的最终结果，再结合5G 室内定位系统进行高精度定位和测量，根据融合定位技术的兼容性主要选取局域网、卫星、共频带和通信带内定位技术与5G 进行一体化融合定位；融合位置是对支持室内外定位系统进行混合算法、缩小定位误差、提高定位系统的稳定和可靠，最终取得更精准的定位精度；位置预测是结合融合位置和室内地图的路径拟合进行定位技术的估计预测，从而输出定位信号的决策与反馈；定位信号决策与反馈是通过融合位置与位置预测之间进行定位决策的反馈统一输出高精度的亚米级定位。

5 总结

5G 无线通信系统能够融合多种不同定位方案，同时也能够集成带内定位、GNSS（尤其是我国自研的北斗导航系统）、以及多种其他定位技术，为新兴产业催生出更多智能化的类型。本文主要分析了当前定位技术的现状、主流融合定位技术的发展趋势，基于5G 无线通信定位技术能力的提升和5G 与多种室内外定位技术的融合发展，以及通过北斗S 波段受5G 基站信号电磁波干扰的分析和解决方法，测试结果分析5G 融合北斗定位技术具有优越性，从而提出5G 高精度定位融合技术框架的发展方向。