手机定位精准度 2G到5G蜂窝网路的定位技术(E-CID、AoA、ToA、TDOA

                   
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从2G到4G,蜂窝网路的定位技术主要有:E-CID、AoA、ToA、TDOA等。

E-CID

传统基站分为三个磁道,一个磁道对应一个新村,每磁道一般120度,每位新村都有不同的辨识码(CellID)。

因为基站的经经度是已知的,按照CellID就可以大致锁定手机的位置。但一个新村的覆盖范围很大,一般几百米到几公里,仅基于CellID的定位偏差特别大,所有有了E-CID定位技术。

E-CID,EnhancedCell-ID,指基于CellID的提高定位技术,包括CellID+RTT、Cell+RTT+AoA等。

CellID+RTT

在CellID的基础上降低RTT(RoundTripTime)检测,即通过TA(TimeAdvance,时间提早量)得出讯号从手机抵达基站,或从基站抵达手机的时间,再除以光速(无线讯号传播速率)来计算手机与基站之间的距离。

在CellID+RTT的定位形式下,可对附近的三个基站进行距离计算来提高定位精准度。

CellID+RTT+AoA

AoA,Angle-of-Arrival,抵达角,就是借助手机讯号传送至基站的入射角度来进一步确定手机在该区域的位置。

在CellID的基础上,降低RTT和AoA辅助可急剧提高定位精准度。

E-CID,就是在CellID的基础上降低TA、AoA、RSRP、RSRQ等辅助信息来提高定位精准度的定位技巧。

TOA

TOA,TimeofArrival(抵达时间)。

指通过检测多个基站发送的参考讯号抵达手机的时间,来估算不同基站与手机之间的距离,并以该距离为直径分别画一个同心圆,再通过定位算法(三边定位算法、最小二乘算法),来计算手机位置。

TDOA

TDOA,TimeDifferenceofArrival(抵达时间差)。

TOA定位法的缺点在于,若基站与手机之间时间不同步手机定位精准度,双方都不晓得讯号发送的绝对时间,会导致估算和定位偏差。

而TDOA借助相对时间(时间差)来填补了这一缺点,即通过检测手机与附近两个基站的讯号抵达时间差,来估算手机到基站的距离差。

从物理的观点看,手机的位置必定位于以这两个基站为焦点、以其距离差为定差的双曲线上。这样一来,周围三个或三个以上的基站能够两两产生两条或两条以上的双曲线,双曲线的交点就是手机的二维位置座标。

上表中的OTDOA、UTDOA和E-OTD属于TDOA定位法。

A-GNSS

A-GNSS,AssistedGNSS,即网路辅助的卫星定位系统。

A-GNSS须要网路和手机都能接收GNSS信息。在A-GNSS中,网路可以依据终端当前所在的区域,确定所在区域上空的GNSS卫星,将这种信息提供给终端,因而终端可以按照这种信息缩小卫星搜索范围、缩短搜索时间,更快的完成可用卫星的搜索过程。终端快速获得自身的位置后再将位置信息发送到网路的定位服务中心可估算出更精准的位置。

A-GNSS可满足快速联通定位需求,但未能满足室外定位需求。

5G时代的定位需求

5G将使能各行各业的多元化应用,车联网、自动驾驶、智能制造、智慧货运、无人机、资产追踪等大量应用场景对定位能力要求更高,例如车联网中的汽车结队、主动避撞要求定位精度高达30分米,且要求支持高速联通和超低信噪比的定位能力;远程操控无人机要求10-50分米。同时,如资产追踪、无人AGV、AR/VR等大量应用集中在室外,卫星定位系统未能覆盖。为此,5G必须提高网路定位技术来提高定位精准度。

按照3GPPR16定义,5G定位能力必须满足以下最低要求:

对于80%的终端,水平定位精度优于50米,垂直定位精度优于5米。

端到端信噪比高于30秒。

对于要求苛刻的商业用例,5G定位能力起码需满足以下要求:

对于80%的终端,水平定位精度优于3米(室外)和10米(室内)。

对于80%的终端手机定位精准度,垂直定位精度优于3米(室外和室外)。

端到端信噪比大于一秒。

5G定位技术

DL-TDOA:5GR16版本引入了新参考讯号----PRS(定位参考讯号),拿来供UE对每位基站的PRS执行下行链路参考讯号时间差(DLRSTD)检测。这种检测结果将上报给位置服务器。

UL-TDOA:5GR16版本提高了SRS(信道侦测参考讯号),以容许每位基站检测上行链路相对抵达时间(UL-RTOA),并将检测结果报告给位置服务器。

DL-AoD(下行离开角):UE检测每多径/gNB的下行链路参考讯号接收功率(DLRSRP),之后将检测报告发送到位置服务器,位置服务器按照每位杂波的DLRSRP来确定AoD,再依照AoD恐怕UE位置。

UL-AOA(上行抵达角):gNB按照UE所在的杂波检测抵达角,并将检测报告发送到位置服务器。

Multi-cellRTT:gNB和UE对每位新村的讯号执行Rx-Tx时差检测。来自UE和gNB的检测报告会上报到位置服务器,以确定每位新村的往返时间并得出UE位置。

E-CID:UE对每位gNB的RRM检测(比如DLRSRP),检测报告将发送到位置服务器。

所有与定位相关的检测报告都要上报到位置服务器,这种检测报告包括:

UE上报的定位检测报告:

每杂波/gNB的DLRSRP

下行参考讯号时间差(DLRSTD)

UERX-TX时间差

gNB上报的定位检测报告:

上行抵达角(UL-AoA)

UL-RSRP

UL-RTOA(UL相对抵达时间)

gNBRX-TX时间差

简而言之,基于先前的蜂窝网路定位技术,5GR16引入了新的定位参考讯号(PRS),采用了DL-TDOA、UL-TDOA、DL-AoD、UL-AOA、E-CID多种定位技术来合力提高定位精度。

同时,因为5G时代超密集网路降低了参考点的数目和多样性,MassiveMIMO多杂波可让AoA恐怕更精确,以及更低的网路信噪比可提高基于时间检测的精度等,这种优势可进一步提高5G定位能力。

未来,5G定位能力将进一步提高,R17版本都会将5G定位精度提高到亚米级。


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