基于5G移動(dòng)通信系統(tǒng)融合定位的關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)演進(jìn)
第5代（5G）移動(dòng)通信系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。隨著各類新型終端（如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)／虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、低功耗傳感器、無人化智能機(jī)器設(shè)備）接入網(wǎng)絡(luò)，5G應(yīng)用對(duì)定位服務(wù)的需求持續(xù)增長，并且在定位場景、定位精度、定位安全性等方面出現(xiàn)了差異化、多樣化的需求?；?G網(wǎng)絡(luò)提供的通信能力，可以融合5G帶內(nèi)定位、衛(wèi)星定位、視覺定位等多種定位手段，從而大幅提高復(fù)雜環(huán)境下室內(nèi)外綜合定位系統(tǒng)的覆蓋范圍與定位精度。本文從系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)兩個(gè)方面介紹了5G融合定位領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展，重點(diǎn)分析了5G帶內(nèi)無線定位和5G融合定位的技術(shù)路線，并展望了面向6G的時(shí)空服務(wù)系統(tǒng)的架構(gòu)演進(jìn)與技術(shù)挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展催生了豐富的通信及定位需求。第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5th－generation，5G）被廣泛地認(rèn)為是新一代互聯(lián)網(wǎng)的基座，驅(qū)動(dòng)著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用向物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。2015年9月，國際電信聯(lián)盟正式提出了5G的三大應(yīng)用場景。
增強(qiáng)移動(dòng)寬帶：面向人類多媒體感知，以高速率、大容量通信為特點(diǎn)，主要應(yīng)用包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)，需要對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行精確定位以實(shí)現(xiàn)基于位置的媒體服務(wù)；
大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine type of communication，mMTC）：面向物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)，以低功耗、密集鏈接為特點(diǎn)，相關(guān)定位需求包括關(guān)鍵物資及人員跟蹤等；
超高可靠低時(shí)延：主要面向工業(yè)領(lǐng)域，以高可靠、低時(shí)延通信為特點(diǎn)，相關(guān)需求包括運(yùn)營車輛定位，無人車、無人機(jī)的精確定位等。
定位導(dǎo)航授時(shí)（positioning－navigation－timing，PNT）技術(shù)可以在不同的場景下借助多種信號(hào)媒介來實(shí)現(xiàn)定位，包括無線電磁波、光波（視覺）、聲波、慣性傳感器、氣壓傳感器、地磁信息等。其中，無線電定位的應(yīng)用最為普及，包括了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）以及基于無線通信系統(tǒng)的定位，后者又包括移動(dòng)通信系統(tǒng)、超寬帶、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)作為覆蓋廣泛的新一代寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，有望成為新一代綜合PNT體系的重要組成部分。5G定位的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
利用高帶寬、多天線等特點(diǎn)，通過5G帶內(nèi)無線定位實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)區(qū)域的拓展，特別是室內(nèi)等GNSS信號(hào)缺失區(qū)域的覆蓋；
通過5G網(wǎng)絡(luò)的通信能力、計(jì)算能力和業(yè)務(wù)能力（如網(wǎng)絡(luò)切片與計(jì)費(fèi)功能）為定位服務(wù)賦能，提供場景化、商業(yè)化的新型定位服務(wù)。
移動(dòng)通信系統(tǒng)定位技術(shù)及其與綜合PNT系統(tǒng)的融合是關(guān)系到國計(jì)民生的關(guān)鍵核心技術(shù)，也是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。該領(lǐng)域的主要研究團(tuán)隊(duì)包括國內(nèi)北京郵電大學(xué)的鄧中亮教授團(tuán)隊(duì)［2］、武漢大學(xué)的樓益棟教授團(tuán)隊(duì)［3］、清華大學(xué)的陸明泉教授團(tuán)隊(duì)［4］、廈門大學(xué)的石江宏教授團(tuán)隊(duì)［5］等，以及國外巴塞羅那自治大學(xué)的Lopez－Salcedo教授團(tuán)隊(duì)［6］、加州大學(xué)歐文分校的Kassas教授團(tuán)隊(duì)［7］等。
當(dāng)前，5G移動(dòng)通信系統(tǒng)正在快速地演化升級(jí)中。2018年9月，3GPP確定了5G標(biāo)準(zhǔn)的第一版規(guī)范release15（rel－15）；2020年7月，3GPP宣布5G標(biāo)準(zhǔn)的第二版規(guī)范Rel－16，是5G標(biāo)準(zhǔn)的第一次演化，其中也包括了5G定位技術(shù)與系統(tǒng)架構(gòu)的演進(jìn)。本文以最新發(fā)布的Rel－16為基礎(chǔ)，綜合介紹5G融合定位研究的最新進(jìn)展。在文獻(xiàn)［6］的基礎(chǔ)上，本文的主要貢獻(xiàn)包括以下3點(diǎn)：1）對(duì)Rel－16規(guī)范中提出的定位需求和參考信號(hào)設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理和介紹；2）對(duì)5G帶內(nèi)無線定位技術(shù)的增強(qiáng)原理和相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)性的梳理，對(duì)比歸納了測距定位、測角定位、指紋定位這3大技術(shù)路線的優(yōu)缺點(diǎn)和互補(bǔ)關(guān)系；3）梳理出5G定位服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，闡述5G能夠進(jìn)行多源融合定位的原因，作為現(xiàn)有綜合PNT系統(tǒng)的服務(wù)功能補(bǔ)充。
如表1所示，5G的Rel－16規(guī)范定義了5G定位服務(wù)需求的7個(gè)等級(jí)，從定位的水平及垂直精度、可用性、時(shí)延這4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。其中，前6個(gè)等級(jí)針對(duì)絕對(duì)定位，第7個(gè)等級(jí)針對(duì)相對(duì)定位。絕對(duì)定位計(jì)算用戶在大地坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)，而相對(duì)定位只需獲得用戶和基站的相對(duì)位置關(guān)系。用戶場景和載體終端類型是區(qū)分5G定位服務(wù)等級(jí)的重要依據(jù)之一。
通常，商業(yè)手持終端和電子醫(yī)療相關(guān)設(shè)備對(duì)定位精度的要求分別為服務(wù)等級(jí)1和2；公路和鐵路車輛定位中包含橋梁和隧道等場景，涉及垂直位置情況，對(duì)垂直精度要求更高，一般使用服務(wù)等級(jí)3；在緊急情況下對(duì)一線救護(hù)人員的跟蹤和位置引導(dǎo)需要穩(wěn)定地監(jiān)測其水平和垂直位置的變化，因此常用服務(wù)等級(jí)4；工業(yè)自動(dòng)化和無人機(jī)定位場景涉及安全性，需要持續(xù)可用的精確定位信息，因此必須滿足服務(wù)等級(jí)5或6。
01
5G定位的可用參考信號(hào)
5G新空口（5G New Radio，5G NR）標(biāo)準(zhǔn)中定義了多類不同用途的參考信號(hào)，包括專門為定位功能設(shè)計(jì)的定位參考信號(hào)（positioning reference signal，PRS）。此外，5G網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的參考信號(hào)還有信道狀態(tài)信息參考信號(hào)（channel state infonnation－reference singnal，CSI－RS）和同步信號(hào)。這些參考信號(hào)規(guī)定了物理層發(fā)送的無線信號(hào)形式，可為定位解算提供有益的信息。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)直接影響5G帶內(nèi)定位的精度和定位性能。以下介紹3種可用于定位測量的參考信號(hào)。
（1）PRS
PRS是專門為5G帶內(nèi)無線定位功能設(shè)計(jì)的信號(hào)。Rel－16完成了專用于下行定位的PRS的標(biāo)準(zhǔn)化定義。沿用了長期演進(jìn)（long term evolution，ITE）網(wǎng)絡(luò)制式中的調(diào)制方式，5G NRPRS采用正交相移鍵控（quadrature phase shift keying，QPSK）調(diào)制的偽隨機(jī)序列構(gòu)成，具有特定的時(shí)頻資源塊分配方式，并且在時(shí)隙符號(hào)和子載波映射時(shí)受到一定約束：不能映射到分配給同步資源塊（synchronization signal block，SSB）的資源粒子上，不與任何天線端口的小區(qū)參考信號(hào)重疊。
PRS在頻域上可分布于24～272個(gè)物理資源塊，在時(shí)域上一個(gè)時(shí)隙內(nèi)可占有2，4，6，12個(gè)正交頻分復(fù)用（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）符號(hào)。這種可配置的資源分布有利于實(shí)現(xiàn)高效的位置估計(jì)，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)與定位精度要求動(dòng)態(tài)分配時(shí)頻資源，實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)與位置服務(wù)的性能平衡和頻率利用效率的最優(yōu)化。
（2）CSI－RS
與一直發(fā)送的小區(qū)特定參考信號(hào)以及伴隨數(shù)據(jù)發(fā)送的解調(diào)參考信號(hào)不同，CSI－RS配置更靈活并可以支持更多的端口?？蓪r(shí)域和頻域連續(xù)的一個(gè)或者多個(gè)資源格作為1個(gè)基本單元，通過不同的復(fù)用以及組合形式構(gòu)造出不同端口數(shù)的CSI－RS圖樣。在多基站場景中，盡管CSI－RS的頻率復(fù)用因子為1，但是可以通過設(shè)置零功率（zero power，ZP）與非零功率（non－zero power，NZP）的信號(hào)來進(jìn)行干擾測量。利用測量的干擾值和CSI－RS提供的多徑信息，CSI－RS可輔助PRS進(jìn)行精確的定位。
（3）同步信號(hào)
采用波束掃描方式實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的全小區(qū)覆蓋，是5G NR的一大特點(diǎn)。LTE的主同步信號(hào)（primary synchronization signals，PSS）、輔同步信號(hào)secondary synchronization signals，SSS）和物理廣播信道（physical broadcast channel，PBCH）位于載波中心，發(fā)送周期固定，即可覆蓋整個(gè)小區(qū)。
5G NR部署在高頻段時(shí)，基站必須使用大規(guī)模天線的大規(guī)模多入多出（MIMO）技術(shù)以增強(qiáng)覆蓋，但是大規(guī)模MIMO的天線輻射圖為非常窄的波束，單個(gè)波束難以覆蓋整個(gè)小區(qū)，因此5G NR通過波束掃描的方式讓信號(hào)覆蓋整個(gè)小區(qū)。即基站在某一個(gè)時(shí)刻只發(fā)送一個(gè)或者多個(gè)波束方向，通過多個(gè)時(shí)刻發(fā)送不同的波束覆蓋整個(gè)小區(qū)所需的方向。為了5G的UE實(shí)現(xiàn)下行同步，PSS、SSS、PBCH、PBCH解調(diào)參考信號(hào)（demodulation reference signal，DM－RS）必須同時(shí)發(fā)送，簡稱SSB。
02
5G參考信號(hào)的定位性能
目前大多數(shù)5G參考信號(hào)的定位研究均是利用PRS和CSI－RS進(jìn)行時(shí)間測量的定位方案，暫時(shí)沒有與角度定位方案相關(guān)的參考信號(hào)選擇和設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。從時(shí)域角度來講，CSI－RS可以周期、半持續(xù)和非周期發(fā)送，從頻域角度來講，可根據(jù)子載波間隔設(shè)定不同的CSI－RS帶寬。
該信號(hào)具有良好的自相關(guān)特性，便于利用峰值檢測法得到信號(hào)從終端到各個(gè)基站的到達(dá)時(shí)間（time of arrival，TOA），進(jìn)而利用到達(dá)時(shí)間差（time difference of arrival，TDOA）獲得終端位置［8－9］。如：使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器［10］、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutiona lneural networks，CNN）［11－12］基于CSI的室內(nèi)定位方法和測量模型可達(dá)到最優(yōu)厘米級(jí)的定位精度；Song等［13］提出的基于CSI傳播模型的窄帶物聯(lián)網(wǎng)指紋定位算法，通過優(yōu)化基于CSI傳播模型的質(zhì)心算法，定位精度可達(dá)分米級(jí)。
對(duì)于5G NR的PRS設(shè)計(jì)，目前還沒有公開文獻(xiàn)研究利用PRS全部有效帶寬來提高觀測TDOA（observedtdoa，OTDOA）的定位精度。但是有部分學(xué)者對(duì)PRS的定位性能進(jìn)行了理論分析。ferre等［14］通過比較不同頻段、不同梳狀結(jié)構(gòu)、不同子載波間隔下PRS的定位精度，仿真證明在fr2（410～7125mhz）頻段、Δf＝240khz、子載波間隔為12的條件下定位精度可達(dá)亞米級(jí)。
Schmidhammer等［15］以時(shí)延和多普勒估計(jì)的精度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了PRS。Gerzaguet等［16］基于克拉美羅下界分析了不同功率譜密度的PRS波形的定位精度。destino等［17］提出一種貪婪搜索算法，讓ue選擇最合適的毫米波波束傳輸PRS來進(jìn)行參考信號(hào)時(shí)間差（reference signal time difference，RSTD）測量，減小OTDOA定位誤差。Yin等［18］就通信導(dǎo)航一體化方向，提出了一種新的定位通信集成信號(hào)，將功率和帶寬都可配置的定位信號(hào)疊加在通信信號(hào)上，分析了定位信號(hào)對(duì)通信信號(hào)的干擾是可控的，從而減少了遠(yuǎn)近效應(yīng)，提高測距精度。
CSI－RS、SSB是為通信分配的資源信號(hào)，當(dāng)把CSI－RS、ssb用作定位測量信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)和定位解算時(shí)，可以充分利用通信信號(hào)資源來提高信號(hào)測量精度。圖1為幾種信號(hào)在時(shí)頻資源中的分配（僅展示一個(gè)物理資源塊上的資源分布）。在OFDM系統(tǒng)中，根據(jù)時(shí)延估計(jì)的克拉美羅下界計(jì)算公式［19］，在加性高斯白噪聲（additive white gaussian noise，AWGN）信道下對(duì)幾種不同參考信號(hào)的測距精度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)上述幾種參考信號(hào)共同用于定位時(shí)，測距的均方根誤差（RMSE）最小，定位性能最佳。
圖1 不同參考信號(hào)的二維時(shí)頻分布
圖2 AWGN信道下不同參考信號(hào)的測距精度Rel－16標(biāo)準(zhǔn)對(duì)5G系統(tǒng)支持的帶內(nèi)定位方式做出了較大的擴(kuò)展［20］，在原有基礎(chǔ)上新增了下行離開角（downlink angle of departure，DL－AOD）、上行到達(dá)角（uplink angle of arriva，UL－AOA）、多次往返時(shí)間（multi－round－triptime，Multi－RTT）、DL－TODA、UL－TODA等新的定位測量手段。需要指出的是，5G標(biāo)準(zhǔn)中兼容了多種類的定位技術(shù)，如表2所示。其中前6列是基于5G以外系統(tǒng)的定位技術(shù)，依托5G的通信能力進(jìn)行信息融合；而后8列是基于5G內(nèi)部信號(hào)體制的帶內(nèi)無線定位技術(shù)。Rel－16的發(fā)布標(biāo)志著帶內(nèi)定位技術(shù)第一次成為移動(dòng)通信系統(tǒng)定位標(biāo)準(zhǔn)中的主要定位手段。
近年來，5G帶內(nèi)定位的相關(guān)研究得到了廣泛的關(guān)注。如表3所示，本文從2個(gè)維度上對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了分類梳理。第一個(gè)維度（表3橫向）為當(dāng)前希望解決的定位問題，包括了精度、覆蓋和功耗3個(gè)類別：
1）精度問題主要指信號(hào)測量誤差，包括受通信質(zhì)量和基站同步等影響而導(dǎo)致的PRS測量誤差、因傳播環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致非視距傳輸引起信號(hào)衰落等誤差、3D定位時(shí)由于基站天線位置過高引起的垂直精度誤差；
2）基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋問題主要指在室內(nèi)和城郊等地區(qū)，因基站數(shù)量有限，難以保證連讀的高精度定位覆蓋；
3）功耗問題主要指5G應(yīng)用場景中（特別是MMTC場景）包括了大量的嵌入式終端，需要實(shí)現(xiàn)低功耗的定位。
表3 5G定位相關(guān)文獻(xiàn)分類和總結(jié)
文獻(xiàn)分類的第二個(gè)維度（表3縱向）是技術(shù)方案，包括了基于時(shí)間、角度和指紋這3大類定位方案。這3類方案的定位原理有著本質(zhì)上的區(qū)別，構(gòu)成了其他各種復(fù)合型無線定位方案的基礎(chǔ)。
其中，基于時(shí)間的定位方案又可進(jìn)一步細(xì)分為3類：
1）選擇或設(shè)計(jì)5G參考信號(hào)用于檢測定位信號(hào)，從而提高定位精度；
2）由于信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延不一定是采樣周期的整數(shù)倍，通過處理和修正參考信號(hào)測出的時(shí)間測量值，減小時(shí)延估計(jì)誤差；
3）根據(jù)定位設(shè)備的不同動(dòng)力學(xué)模型和定位環(huán)境的約束，選擇并改進(jìn)時(shí)延估計(jì)算法和時(shí)間定位算法。
基于角度的定位方案也可細(xì)分為3類：
1）通過周圍環(huán)境確定反射徑的虛擬錨節(jié)點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換成可用的視距分量，為確定環(huán)境的定位提供輔助信息；
2）控制基站天線陣列形成不同方向的波束用于估計(jì)到達(dá)角，結(jié)合從接收信號(hào)獲得的toa值實(shí)現(xiàn)定位；
3）在網(wǎng)絡(luò)側(cè)執(zhí)行定位解算，通過中心化處理器獲得定位結(jié)果?；谥讣y的定位方案也可細(xì)分為基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（received signal strength indication，RSSI）、CSI和波束序號(hào)3類參數(shù)作為指紋信息。
從表3的文獻(xiàn)分布情況來看，基于時(shí)間測量定位的文獻(xiàn)最多，重點(diǎn)解決精度問題，但有關(guān)垂直精度的研究較少?；诮嵌榷ㄎ坏奈墨I(xiàn)對(duì)精度、覆蓋和功耗這3個(gè)問題都有探討，主要原因是大規(guī)模天線陣列的使用將使功耗問題及覆蓋問題更為突出?；谥讣y定位的文獻(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注精度和覆蓋問題，但關(guān)注環(huán)境與無線電指紋的相互作用的研究仍然是空白。
5G帶內(nèi)定位技術(shù)之所以在Rel－16中展現(xiàn)出較快發(fā)展，其原因除了應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)，還在于5G系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)支撐：
1）高頻段毫米波傳輸技術(shù)和低時(shí)延、高精度同步技術(shù)可以提供高時(shí)間分辨率和多徑魯棒性，有利于提高基于時(shí)間定位方案及多徑信道指紋定位方案的性能；
2）MIMO技術(shù)及統(tǒng)一的空中接口結(jié)構(gòu)，基站和終端可配置N個(gè)天線，支持多用戶波束智能賦形，提高波束空間分辨率，為測角定位提供基礎(chǔ)；
3）5G新型信道編碼技術(shù)以及信道模型對(duì)信道的空間一致性進(jìn)行了更精確的描述，為基于多徑信道的指紋定位方法提供了新的理論基礎(chǔ)；
4）超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和上下行解耦技術(shù)使得上下行信號(hào)可進(jìn)行頻繁的定位信息交互，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層面上利用基本定位技術(shù)結(jié)果進(jìn)行第一道判斷、其他多種定位技術(shù)測試量進(jìn)行預(yù)測的混合定位算法，在不同層面反饋和判斷定位數(shù)據(jù)，提高定位精度；
5）設(shè)備到設(shè)備通信技術(shù)在降低端到端的傳輸時(shí)延的同時(shí)，可由帶內(nèi)定位終端發(fā)送定位請(qǐng)求信息至可連接到4部及以上可實(shí)現(xiàn)5G基站定位的終端，彌補(bǔ)了無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)的定位需求。以下將基于上述前3個(gè)5G關(guān)鍵技術(shù)帶來的5G帶內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展做深入介紹。
01
帶寬增強(qiáng)與測距定位
圖3展示了使用不同帶寬的PRS測量信號(hào)用于測量首徑信號(hào)的效果，可以看到，增大系統(tǒng)帶寬能夠加快信號(hào)采樣頻率，準(zhǔn)確采集到首徑信號(hào)的概率增大，因此毫米波的大帶寬特性能夠增強(qiáng)基于時(shí)間定位方案的定位性能。
圖3 不同帶寬下PRS時(shí)延估計(jì)
對(duì)于基于TOA的位置估計(jì)，通過測量基站和終端接收信號(hào)之間的TDOA從而計(jì)算得到兩者的相對(duì)距離，最后利用至少3個(gè)基站得到的交疊區(qū)域估計(jì)最終位置［62］。當(dāng)接收端和發(fā)射端難以做到嚴(yán)格的時(shí)間同步時(shí)，可以通過信號(hào)到達(dá)2個(gè)基站的時(shí)間差Δt進(jìn)行位置估計(jì)，稱為基于TDOA的位置估計(jì)。5G技術(shù)帶來的高頻段、大帶寬的特性對(duì)基于參考信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位的TOA、TDOA技術(shù)增強(qiáng)具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。
1）NLOS帶來的定位誤差可以得到更有效的消除。當(dāng)測量信號(hào)是直射路徑時(shí)，TOA、TDOA定位方法具有較佳的性能，因此大量研究圍繞區(qū)分視距徑（line of sight，LOS）和NLOS展開［24－26］。Kim［27］、Ling等［30］、Zandian等［31］和Zhang等［32］在TDOA系統(tǒng)中分別通過凸優(yōu)化、對(duì)測試數(shù)據(jù)加權(quán)、有偏擴(kuò)展卡爾曼濾波器、約束蟻群算法等方案，可減少NLOS誤差，顯著降低定位誤差。
2）大帶寬可以有效緩解RSTD測量值受通信質(zhì)量［63］、基站同步準(zhǔn)確性［64］等因素的影響而失準(zhǔn)導(dǎo)致的測量誤差問題。Gao等［21］提出一種可用于5G通信系統(tǒng)的手機(jī)被動(dòng)定位方法，通過捕獲前同步碼序列并結(jié)合TDOA來估計(jì)手機(jī)位置，該方案在高噪聲條件下仍具有較高的測量精度。當(dāng)RSTD測量誤差無法進(jìn)一步減小的情況下，可以利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)［22－23］和優(yōu)化算法（如基于交替方向乘子法的迭代算法［29］）對(duì)RSTD數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理，減小測量誤差對(duì)定位結(jié)果的干擾。
3）大帶寬可以解決TDOA在3D定位時(shí)因基站天線位置過高而引起的垂直精度差這一問題。Wigren［33］討論了如何在不需要地圖信息的情況下用所提出的曲面模型代替移動(dòng)體的垂直自由度，將問題簡化為一個(gè)高度修正的2D TDOA問題，提高3D TDOA定位的準(zhǔn)確度。Lin等［28］采用基于高維線性插值的預(yù)處理方法對(duì)接收到的所有頻段的數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，充分利用寬帶毫米波系統(tǒng)提供的高時(shí)間分辨率進(jìn)行位置估計(jì)，提高垂直定位精度。
02
天線增強(qiáng)與測角定位
為了解決毫米波弱穿透力帶來的影響，5G引入了大規(guī)模天線陣列。傳統(tǒng)基站一般是2，4和8個(gè)天線，而大規(guī)模天線陣可達(dá)到64，128和256個(gè)。
圖4 不同天線數(shù)的陣列天線的輻射模式
（1）LOS與NLOS對(duì)角度定位的影響
傳統(tǒng)測角定位方法通常需要在空間中找到LOS，當(dāng)系統(tǒng)空間分辨率低時(shí)，接收信號(hào)波形中的信息不夠豐富，難以準(zhǔn)確解析用戶的LOS；在5G網(wǎng)絡(luò)中，毫米波大規(guī)模MIMO使得信號(hào)的指向性更強(qiáng)，系統(tǒng)角域的空間分辨率更高，不僅可解析出LOS分量，也可解析出NLOS分量用于位置和方向估計(jì)。
毫米波散射能力弱，因此系統(tǒng)中的散射NLOS很少。對(duì)于反射NLOS，可以通過周圍環(huán)境的平面反射確定每一條反射徑的虛擬錨節(jié)點(diǎn)，將其轉(zhuǎn)換成可用的LOS分量。Witrisal等［34］的研究表明通過接收信號(hào)的強(qiáng)度和時(shí)延以及基于虛擬錨節(jié)點(diǎn)的幾何模型，NLOS能夠?yàn)榇_定環(huán)境的定位提供輔助信息?；谠摻Y(jié)論：Shahmansoori等［35］和Mendrzik等［36］分析了在5G毫米波MIMO系統(tǒng)中NLOS部分對(duì)于AOA定位方案中位置和方向估計(jì)方面的作用，通過理論推導(dǎo)得出了在NLOS輔助下AOA定位的位置和方向誤差范圍。
仿真結(jié)果表明，與只用LOS的AOA定位相比，LOS和NLOS混合的定位方案精度提高了25％，同時(shí)在沒LOS條件下，利用3個(gè)以上NLOS的角度信息也可以進(jìn)行精確定位；Li等［37］通過環(huán)境感知和聚類分析識(shí)別LOS和NLOS，利用NLOS信號(hào)的空間特性來輔助改進(jìn)的AOA室內(nèi)定位方案；Lin等［28］提出了一種利用NLOS AOA的3D定位方案，以更少的復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)更精確的定位。
（2）單基站與多基站對(duì)角度定位的影響
傳統(tǒng)基于AOA信息的定位方案至少需要兩個(gè)基站，架設(shè)多個(gè)基站、接入點(diǎn)（access point，AP）等基礎(chǔ)設(shè)施增加了定位成本。在5G NR系統(tǒng)中，基站端相同的物理面積內(nèi)可配備更多的天線，信號(hào)指向性更強(qiáng)，可以更加精準(zhǔn)地估計(jì)每條路徑的AOA值［65］，因此僅使用單個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)基于AOA的精準(zhǔn)定位。目前比較常用的單基站角度定位方案有兩大類：利用波束賦形結(jié)合TOA的方案和利用NLOS的方案。
在大規(guī)模天線系統(tǒng)中，通過波束賦形技術(shù)可在收發(fā)器端形成窄傳輸波束，信號(hào)的指向性高，使用傳統(tǒng)的多信號(hào)分類算法（multiple signal classification algorithm，MUSIC）或基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)（estimating signal parameter via rotational invariance techniques，ESPRIT）算法就可得到高分辨率的AOA估計(jì)值［66－67］。因此，控制單基站天線陣到形成不同方向的波束估計(jì)AOA，結(jié)合從接收信號(hào)獲得的TOA值，即可利用單基站實(shí)現(xiàn)基于角度的定位。Guerra等［42］最早提出了在LOS情況下收發(fā)端均采用大規(guī)模天線陣估計(jì)AOA值來實(shí)現(xiàn)定位的想法，推導(dǎo)了相應(yīng)的位置和方向估計(jì)性能下界，同時(shí)比較了不同大規(guī)模天線陣到波束賦形對(duì)單基站AOA定位性能的影響。
（3）設(shè)備端和基站端對(duì)角度定位的影響
連續(xù)定位需要設(shè)備端根據(jù)接收到的定位信號(hào)不斷解析定位信息并計(jì)算推導(dǎo)設(shè)備位置和方向，這一過程非常耗電［68］，對(duì)設(shè)備的計(jì)算能力也有一定的要求。功耗問題是嵌入式終端定位中的一個(gè)關(guān)鍵問題。為了降低終端功耗，Rel－16給出了UL－AOA定位方案，將定位解算移到網(wǎng)絡(luò)端執(zhí)行，大大減少設(shè)備電量消耗。
雖然在增強(qiáng)小區(qū)ID定位中已經(jīng)考慮了UL－AOA，但其僅測量服務(wù)基站相關(guān)信息。5G將UL－AOA定位的角度測量擴(kuò)展到多個(gè)基站，用戶可以在任何時(shí)刻獲得準(zhǔn)確的位置估計(jì)值，解決了終端的定位功耗問題。
使用網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行定位來減小設(shè)備功耗最早由Werner等［45］提出，其利用一種可在網(wǎng)絡(luò)端執(zhí)行的基于AOA的卡爾曼濾波定位算法實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的實(shí)時(shí)定位。Koivisto等［46］根據(jù)Werner等［45］提出的架構(gòu)，針對(duì)5G車輛互聯(lián)的場景，提出了考慮ap之間的相位偏差的基于AOA測量值的定位和跟蹤方案。Menta等［47］針對(duì)網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位中多個(gè)基站接收鏈路之間射頻時(shí)鐘漂移引起的相位隨時(shí)間變化的問題，提出了一種校準(zhǔn)補(bǔ)償相位偏移的方案，可提高網(wǎng)絡(luò)側(cè)AOA定位的性能。
03
電磁環(huán)境感知增強(qiáng)與指紋定位
（1）RSSI指紋
由于RSSI測量的簡單性和普遍性，RSSI是最早得到應(yīng)用的電磁指紋特征。其對(duì)電磁環(huán)境的測量是粗粒度的，不能區(qū)分無線信號(hào)的到達(dá)路徑以及其中蘊(yùn)含的多徑信道信息［71］；此外，RSSI有很高的隨機(jī)性，多徑和陰影效應(yīng)都使得它與距離的相關(guān)性變?nèi)酢Ｒ虼?，基于RSSI的定位精度有限，典型的定位誤差在十幾到幾十米［48－49］。盡管RSSI指紋有天然的局限性，但是其便捷性和普遍性的優(yōu)點(diǎn)也很突出。因此，近年來仍有關(guān)于RSSI指紋定位的持續(xù)研究，如seok等［50］利用深度學(xué)習(xí)將誤差在特定場景下降到10m以內(nèi)。
（2）CSI指紋
CSI中包含豐富的電磁指紋特征信息：具有明確物理意義的特征（如時(shí)域多徑分量［51，72］、相位［52］、角度［53］、頻率響應(yīng)［54］等）和不具有物理意義的特征［73－74］。Lei等［73］和Studer等［74］用自編碼器對(duì)CSI做基于特征提取的無監(jiān)督訓(xùn)練，得到了信道圖特征。當(dāng)用多徑分量做指紋時(shí)，多徑分量的分辨率便成為影響精度的重要因素。Wang等［51］和Chen等［72］通過討論信道帶寬對(duì)多徑分量分辨率的影響，確定定位精度能達(dá)到1～2m。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)每個(gè)天線上都可以測量到CSI，此時(shí)影響精度的主要因素就是指紋的分辨率和位置標(biāo)簽的準(zhǔn)確性［55］。Wang等［53］給出了在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基于單基站和以角度－時(shí)延－信道增益矩陣為指紋的定位系統(tǒng)，當(dāng)指紋參考點(diǎn)之間的距離為1m時(shí)達(dá)到了亞米級(jí)的定位精度。
（3）波束序號(hào)指紋
5G毫米波系統(tǒng)將大量使用大規(guī)模天線陣列，能夠通過波束賦形技術(shù)形成多種模式的波束信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生與波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的指紋。Gante等討論了CNN［56］、分層CNN［57］、短序列的長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)［58］基于單基站的波束指紋序號(hào)定位系統(tǒng)的定位精度，三者均可達(dá)到2m左右。Zhang等［59］利用單基站開關(guān)波束天線形成的波束序號(hào)指紋通過多信號(hào)分類（MUSIC）－隱馬爾可夫模型算法實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)定位精度。此外，DM－MIMO的天線分布間距比較遠(yuǎn)，每個(gè)天線相當(dāng)于一個(gè)基站，因此DM－MIMO的每個(gè)接收天線單元均可收集移動(dòng)終端的RSSI形成波束序號(hào)指紋［60－61］。
（4）信道的空間一致性與指紋定位的理論基礎(chǔ)
指紋定位的一個(gè)很大的挑戰(zhàn)在于指紋庫的構(gòu)建與維護(hù)，它的難點(diǎn)在于獲取帶位置標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。當(dāng)指紋特征更豐富時(shí)，指紋的分辨率和標(biāo)簽的準(zhǔn)確性成為影響精度的主要因素。5G的大帶寬和大規(guī)模MIMO技術(shù)都要求精細(xì)的5G信道模型［75］?？臻g一致性［76］是3GPP新認(rèn)可的重要信道模型。在極其密集的場景下，當(dāng)發(fā)射端或接收端移動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)，信道的變化依然相對(duì)平緩，即空間一致性使得信道模型為緊密分布的位置提供空間一致且平滑的隨時(shí)間變化的信道脈沖響應(yīng)（channel impulse response，CIR）。圖5展示了運(yùn)動(dòng)場景下空間一致性的物理含義，其中圖5（b）和（c）的每條曲線代表一個(gè)散射點(diǎn)簇對(duì)應(yīng)的CIR信息（時(shí)延與功率）。
圖5 5G空間一致性示意圖
04
3類定位技術(shù)的對(duì)比
上述的3類定位技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。測距定位的系統(tǒng)復(fù)雜度低，在理想環(huán)境下定位精度高，但是其3點(diǎn)覆蓋以及基站同步的要求容易受多徑的影響。此外，在同樣測量誤差的前提下，基站幾何分布對(duì)測距定位誤差有較大影響。測距定位的這些弊端在測角定位中并不明顯。測角定位所需要的基站數(shù)量少，定位精度受基站分布的影響較小。但是為了準(zhǔn)確測量信號(hào)AOD和到AOA，發(fā)射及接收端必須配備方向性強(qiáng)的大規(guī)模天線陣列。
在LTE技術(shù)以前，3GPP的標(biāo)準(zhǔn)文件僅對(duì)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的室外定位技術(shù)框架與接口協(xié)議做出了定義，從Rel－13開始增加了對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的支持，但主要為WiFi、藍(lán)牙等非蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)。進(jìn)入5G標(biāo)準(zhǔn)階段以后，Rel－16提出了利用nr進(jìn)行用戶定位，在早期版本的OTDOR等測量方案基礎(chǔ)上，增加了Multi－RTT、DL－TDOA、DL－AOD、UL－TDOA、UL－AOA等新型測量方案，極大地豐富了5G室內(nèi)定位的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。因此，5G多源融合定位不僅包括5G與其他定位源的融合，也包括5G系統(tǒng)內(nèi)部不同測量方案的融合。
5G能夠?qū)崿F(xiàn)多源融合定位的原因主要有：
1）在定位架構(gòu)方面，5G NR能夠?yàn)槎嘣炊ㄎ蝗诤咸峁┲?。Rel－16中提出了5GRAN（又稱NG－RAN）中用戶定位的架構(gòu)和協(xié)議流程。與GSM／EDGERAN（GERAN）和通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地RAN（UMTS terrestrial RAN，UTRAN）不同，5G NR架構(gòu)旨在向前兼容其他接入類型和其他定位方法，以減少未來增加定位源所需的額外定位支持。
2）在定位解算方面，5G具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)側(cè)解算服務(wù)能力。Rel－16中提出了定位管理功能（location management function，LMF）實(shí)體，能夠利用NG－RAN中定位的測量信息計(jì)算定位結(jié)果。同時(shí)，5G云計(jì)算和移動(dòng)邊緣計(jì)算分別支持集中式和邊緣式定位數(shù)據(jù)處理，輔助實(shí)現(xiàn)高效的定位計(jì)算。所以，5G能夠作為多源融合定位的平臺(tái)，將多種方案優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的定位。
01
5G定位服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)
3GPP的TS 38。305定義了NG－RAN的用戶定位體系架構(gòu)［20］，如圖6所示。在架構(gòu)上，5G與LTE最大的區(qū)別在于：將LMF的位置前提至網(wǎng)絡(luò)邊緣，使得LMF更接近于NG－RAN。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)起一次蜂窩網(wǎng)定位測量，需要經(jīng)過多個(gè)核心網(wǎng)元的調(diào)度與分發(fā)［78］，這將帶來極大的網(wǎng)絡(luò)延遲，很難實(shí)現(xiàn)異源測量信息的融合。而在5G網(wǎng)絡(luò)中，由于LMF處于核心網(wǎng)邊緣，其處理定位請(qǐng)求與資源調(diào)度的響應(yīng)速度、對(duì)定位測量數(shù)據(jù)的處理延遲都得到了顯著的改善，因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)5G融合定位的有效支撐。
(實(shí)線框代表定位架構(gòu)演進(jìn)過程中被保留的部分；雙實(shí)線框代表5G定位體系中增加的功能實(shí)體；虛線框代表5G定位架構(gòu)中刪除的部分。)
圖6 適用于5GNG－RAN的用戶定位架構(gòu)［20］
當(dāng)接入及移動(dòng)性管理功能（access&mobility function，AMF）從網(wǎng)關(guān)移動(dòng)位置中心（gateway mobile location center，GMLC）處接收到與位置服務(wù)有關(guān)的請(qǐng)求，或用戶接收到與目標(biāo)用戶位置服務(wù)有關(guān)的請(qǐng)求，或者AMF代表目標(biāo)用戶決定啟動(dòng)某個(gè)位置服務(wù)（例如用戶的緊急呼叫）時(shí)，AMF發(fā)送位置服務(wù)請(qǐng)求給LMF。LMF處理收到的位置服務(wù)請(qǐng)求，將測得的定位相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給目標(biāo)用戶。根據(jù)定位需求，由用戶或者LMF計(jì)算定位結(jié)果。然后LMF將定位結(jié)果（例如用戶的位置估計(jì)值）返回給AMF，AMF再將結(jié)果返回給發(fā)起定位的實(shí)體，實(shí)現(xiàn)基于用戶或用戶輔助的定位。
LMF與增強(qiáng)服務(wù)移動(dòng)定位中心（evolved serving mobile location centre，E－SMLC）間可能具備專有信令，使得LMF能夠從演進(jìn)UTRAN（evolved UTRAN，E－UTRAN）獲取信息，支持目標(biāo)用戶從基站獲得下行鏈路測量值實(shí)現(xiàn)OTDOA等多種定位方法。
02
5G定位融合
僅適用5G信號(hào)測量值的融合定位方式，通常又稱為5G帶內(nèi)定位［79］?，F(xiàn)有研究中帶內(nèi)定位方案融合主要包括TDOA＋AOA和TDOA／AOA＋指紋。Zhao［80］、Ketabalian［81］、Chen［82］、Yue［83］、Kanhere［84］、Del Peral－Rosado［85］等研究了TDOA和AOA融合的定位方法，二者結(jié)合能夠更好地解決基于時(shí)間定位方案中的同步問題和基于角度定位方案對(duì)設(shè)備旋轉(zhuǎn)角度敏感的問題。He［86］、Sousa［22］、Chen［87］、Liu［88］等研究了TDOA／AOA與指紋融合定位，利用TDOA／AOA去除指紋定位中定位信息相似的錯(cuò)誤位置參考點(diǎn)，提高位置映射和檢索的準(zhǔn)確性。
2019年，中國移動(dòng)召開“5G＋未來無限可能”大會(huì)，由中國移動(dòng)發(fā)起的“5G精準(zhǔn)定位聯(lián)盟”正式成立，首次發(fā)布《5G＋北斗高精度定位應(yīng)用白皮書》，進(jìn)一步賦能智慧城市與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。
在網(wǎng)絡(luò)融合方面，5G RAN與北斗高精度定位所需的地基增強(qiáng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)均需要在全國范圍內(nèi)部署，因此在建站維護(hù)上天然存在著融合優(yōu)勢，對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)采用站點(diǎn)共享方式建設(shè)，已成為目前熱門的議題
在定位能力融合方面，利用5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)對(duì)北斗高精度定位服務(wù)盲點(diǎn)進(jìn)行有效補(bǔ)充，從而打造出一張室內(nèi)外場景全域覆蓋的高精度定位網(wǎng)絡(luò)
在數(shù)據(jù)播發(fā)融合方面，采用移動(dòng)通信信令的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)播發(fā)，高精度定位平臺(tái)根據(jù)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)的觀測數(shù)據(jù)生成各網(wǎng)格區(qū)域的差分改正模型，按照格點(diǎn)區(qū)域與基站覆蓋區(qū)域的映射關(guān)系將各區(qū)域的定位輔助信息推送至相應(yīng)的基站，由基站向其覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端進(jìn)行廣播，更好地融合5G與北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)成為實(shí)現(xiàn)智能化社會(huì)的一項(xiàng)重要舉措
在終端融合方面，智能手機(jī)是我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用中最大的大眾應(yīng)用市場，5G與北斗高精度定位在智能手機(jī)上的融合可以提高其定位性能，擴(kuò)寬高精度定位的產(chǎn)業(yè)市場。
同時(shí)，二者與人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合發(fā)展，必將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和智慧交通等下游行業(yè)的爆發(fā)和垂直應(yīng)用的發(fā)展。
同時(shí)，在2019年9月初，歐洲發(fā)布6G白皮書《6G泛在無線智能的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素及其研究挑戰(zhàn)》。該白皮書提出未來6G愿景是實(shí)現(xiàn)泛在無線智能，并指出6G技術(shù)性能指標(biāo)將比5G普遍提升10～100倍，這些技術(shù)場景對(duì)定位服務(wù)提出更高要求。太赫茲通信技術(shù)和智能化融合協(xié)作網(wǎng)絡(luò)有助于提高需要高實(shí)時(shí)性和可靠性的定位服務(wù)；海量大連接，需要滿足大量終端接入并擺脫不良節(jié)點(diǎn)信息干擾，超大規(guī)模天線陣列技術(shù)將為這類場景的定位問題提供解決方法；移動(dòng)導(dǎo)航場景，需要為用戶提供連續(xù)廣域的信號(hào)覆蓋、無縫穩(wěn)定連接的室內(nèi)外定位服務(wù)，這一場景下可以利用融合定位將多種定位技術(shù)平滑融合。
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