［張紫璇 黃勁安 蔡子華］

1 引言

在基于位置的服務(wù)（Location Based Services,LBS）中，以GPS等為代表的定位網(wǎng)絡(luò)廣泛地滲透到室外導(dǎo)航、電子商務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)等不同領(lǐng)域，并充分發(fā)揮了積極的作用。然而，隨著智慧城市進程的加速，人們對定位服務(wù)的需求與日俱增，傳統(tǒng)定位網(wǎng)絡(luò)由于自身的局限性，無法滿足更高精度、更廣泛場景的應(yīng)用。以GPS為例，該技術(shù)的民用定位精度受限（民用信號采用偽隨機碼，測距精度在29.3m至2.93m之間），且由于建筑物導(dǎo)致的信號衰減，在室外密集城區(qū)場景或室內(nèi)場景通常難以完成導(dǎo)航定位。而基于WiFi、ZigBee、iBeacon等微定位技術(shù)的專用定位網(wǎng)絡(luò)雖然不同程度地彌補了GPS在室內(nèi)定位的不足，但均嚴重依賴于不同的基礎(chǔ)設(shè)施支撐，其部署成本高、覆蓋范圍有限，難以大規(guī)模推廣建設(shè)。此外，由于技術(shù)標準各異，也難以形成統(tǒng)一的融合定位網(wǎng)絡(luò)。

蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)擁有廣泛部署的節(jié)點，且網(wǎng)絡(luò)自身存在對終端定位的訴求（例如，通過UE位置信息的實時獲取，可以輔助eNodeB合理調(diào)度上行傳輸資源或?qū)崿F(xiàn)精準的波束賦形）。因此，如以現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，疊加基礎(chǔ)定位功能，即實現(xiàn)高精度蜂窩無線定位，將能夠最大限度地降低定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本，同時實現(xiàn)通信、定位雙向需求的一體化承載。

2 蜂窩無線定位技術(shù)發(fā)展

典型的蜂窩無線定位網(wǎng)絡(luò)包含信標（Target）、服務(wù)器（Server）、客戶端（Client）三類主要網(wǎng)元。信標即是待定位的終端。服務(wù)器通常是由核心網(wǎng)（CN）側(cè)和無線接入網(wǎng)（RAN）側(cè)的網(wǎng)元共同構(gòu)成，通過協(xié)作收集定位相關(guān)的信息來測算出信標的地理位置?？蛻舳藙t是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)定位請求的入口，既可以是信標自身，也可以是第三方接口。為了準確測算出信標的位置，服務(wù)器必須依賴于環(huán)境或信標自身相關(guān)的測量信息，并選擇合適的定位算法。隨著蜂窩移動通信制式的演進，蜂窩無線定位技術(shù)也有長足的發(fā)展。

2.1 蜂窩無線定位技術(shù)

目前3GPP標準中的蜂窩無線定位技術(shù)較為豐富。梳理2G至4G標準中的通信定位方法，可以發(fā)現(xiàn)，隨著移動通信制式的演進，定位的方法逐步增加和完善，且定位精度也逐步提升。其中，主流的蜂窩無線定位技術(shù)大致包含以下四大類，如圖1所示。

（1）基于小區(qū)標識符（CID-based）的定位技術(shù)：該技術(shù)從定位原理上可歸為鄰近探測法（Proximity Detection），即通過某些有范圍限制的物理信號的接收，來判斷信標是否出現(xiàn)在某一發(fā)射點的附近。典型如2G網(wǎng)絡(luò)中的CID定位。由于UE在進行位置更新、尋呼、切換等操作時均會向系統(tǒng)上報當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的位置信息，因而可以借助小區(qū)標識符來估計UE的當(dāng)前位置。這種定位方法成本低、易于實現(xiàn)，但其定位精度受限于發(fā)射點/小區(qū)的布設(shè)密度和信號覆蓋范圍。GSM小區(qū)理論上覆蓋距離可達35km，在該條件下，CID定位性能極低，須借助TA（Time Advance）等信息提高定位精度。3G網(wǎng)絡(luò)在CID的基礎(chǔ)上，添加RTT（Round Trip Time）信息進行定位校正。4G網(wǎng)絡(luò)則引入E-CID定位的方法，增加了AOA（Arrival of Angle）等信息輔助定位，其定位精度可達150m的量級。

（2）基于距離測量（Range-based）的定位技術(shù)：該技術(shù)可歸入多邊定位法（Multilateration），是通過測量信標到已知參考點之間的距離，從而確定信標的位置。常見的有TOA（Time of Arrival）、TDOA（Time Difference of Arrival）等定位方法。TOA定位又稱圓周定位，其原理是，通過測量信標到基站的參考信號到達時間，換算出信標與基站之間的距離Ri，則待定位信標的位置必處于以該基站為圓心，測量距離為半徑Ri的圓上。當(dāng)基站數(shù)為M（M≥3）時，M個圓必相交于一點，該交點即為待定位信標的位置。TDOA定位則為雙曲線定位。由雙曲線的定義知，到兩個定點距離之差為恒定值的點可以構(gòu)成一條雙曲線。那么，由信標對基站進行監(jiān)聽，并測量出信號到達兩個基站的時間差，每兩兩基站可以得到一個測量值并形成一個雙曲線定位區(qū)域，3個基站就可以得到兩個雙曲線定位區(qū)，通過求解出其交點便可得到信標的確切位置。由于TDOA測量的是時間差而非絕對時間，因而其應(yīng)用更為普遍。在2G網(wǎng)絡(luò)中，E-OTD（Enhanced Observed Time Difference）是TDOA的改進，其精度可達50～300m。3G及4G網(wǎng)絡(luò)中的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）則將精度提升至50～200m。

（3）基于角度測量（Angle-based）的定位技術(shù)：該技術(shù)屬于三角定位法（Triangulation）的范疇。典型的有AOA，即在獲取信標相對兩個已知參考點的角度后結(jié)合兩參考點間的距離信息可以確定唯一的三角形，即可確定信標的準確位置。AOA受限于天線陣列數(shù)目，在現(xiàn)網(wǎng)條件下受多徑效應(yīng)的影響較大，在實際中使用較少，通常作為輔助定位的手段。

（4）融合定位（Hybrid positioning）技術(shù)：該技術(shù)不再局限于通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進行定位，而是融合了多種有效的定位方法。典型的有A-GPS、A-GNSS以及指紋定位（Fingerprinting）等。A-GPS是一種結(jié)合了蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站信息和GPS信息對信標進行定位的技術(shù)，通過蜂窩網(wǎng)先進行粗略定位，然后根據(jù)當(dāng)前的粗略位置有目的地搜索衛(wèi)星以獲取精確定位。A-GPS有效地解決了傳統(tǒng)GPS冷啟動時搜星速度緩慢的問題，在提高定位速度的同時也保證了定位精度，一般可達10～50m，因而在3G網(wǎng)絡(luò)中得到較廣的應(yīng)用。4G網(wǎng)絡(luò)中的A-GNSS技術(shù)同步引入了伽利略、北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其精度進一步提升至10m及以下。此外，在現(xiàn)網(wǎng)中逐漸成熟并商用的融合定位技術(shù)還有指紋定位。指紋定位通常包括離線校準和實際定位兩個階段，其優(yōu)勢在于幾乎無需任何參考測量點，且定位精度非常高，但也存在前期離線建立指紋庫的工作量巨大、難以自適應(yīng)環(huán)境變化等問題。

2G至4G網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩無線定位技術(shù)總結(jié)如表1所示。由表中可見，融合定位的精度相對最高，基于距離測量的定位技術(shù)次之，基于小區(qū)標識符的定位精度相對最弱。但反之，基于小區(qū)標識符的定位速度遠高于融合定位，而基于距離測量的定位技術(shù)響應(yīng)速度居中。

圖1 蜂窩無線定位的基本方法

表1 2G～4G蜂窩無線定位技術(shù)及其性能

2.2 現(xiàn)有定位技術(shù)不足

在現(xiàn)有的蜂窩無線定位技術(shù)中，非融合定位的方法普遍存在定位精度不高的問題。這是由于，蜂窩無線網(wǎng)與定位網(wǎng)雖然存在雙向需求，但二者從設(shè)計原則的根本上是不同的。從布點密度的角度看，蜂窩網(wǎng)追求用盡可能少的基站實現(xiàn)更大范圍的覆蓋，從而降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，而定位網(wǎng)絡(luò)在很大程度上依賴于加密布點以提高定位精度；從信號接收的角度看，蜂窩網(wǎng)追求接收信號強度的最大化，降低來自相鄰基站的信號干擾（例如，RSRP和SINR均是蜂窩網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要指標），而定位網(wǎng)絡(luò)則依賴于更多基站信號的接收，且其檢測的是最早到達的信號而非強度最大的信號。蜂窩網(wǎng)與定位網(wǎng)的上述差異化需求，決定了非融合定位的方法從本質(zhì)上無法提供亞米級的定位能力。

融合定位方法的定位精度整體上高于非融合定位，但其室內(nèi)定位的能力受限。而隨著5G業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷催生，新興應(yīng)用對定位服務(wù)提出了更高要求。由于這類基于LBS的新興應(yīng)用大多數(shù)時間都是伴隨著人們的室內(nèi)活動，因而要求蜂窩無線定位網(wǎng)絡(luò)也能實現(xiàn)包括室內(nèi)空間在內(nèi)的特殊場景的覆蓋，以提供室內(nèi)外體驗一致的無縫定位連接（一般要求達到3m以下的室內(nèi)定位精度）。故而，A-GPS、A-GNSS等技術(shù)在室內(nèi)定位僅能處于從屬的地位。

綜上，由于現(xiàn)有蜂窩無線定位技術(shù)存在定位精度低或室內(nèi)覆蓋不足的問題，急需建立一張能夠滿足室內(nèi)外一致化定位需求的網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)5G時代物聯(lián)網(wǎng)和智能化對通信和定位的升級需求。

3 5G通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)具有超密集異構(gòu)組網(wǎng)的特點，以其海量的基站作為基礎(chǔ)，構(gòu)建通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)，既能最大限度降低定位網(wǎng)絡(luò)的部署成本、實現(xiàn)室內(nèi)外一體化高精度定位、提高定位終端兼容性，也能迎合5G業(yè)務(wù)中LBS類的應(yīng)用生態(tài)。而構(gòu)建5G通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)可以從兩方面入手：第一是借助5G新技術(shù)增強蜂窩網(wǎng)自身的定位功能；第二是借助5G多網(wǎng)絡(luò)融合（Multi-RAT）的契機，引入WiFi定位、iBeacon定位等技術(shù)，實現(xiàn)異構(gòu)定位系統(tǒng)的融合。

3.1 蜂窩定位性能增強

圖2 5G通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)

5G網(wǎng)絡(luò)中的若干使能技術(shù)，如超密集網(wǎng)絡(luò)（UDN）、大規(guī)模陣列天線（Massive MIMO）、D2D通信等技術(shù)，既能大幅提升單位面積的頻譜效率、成倍增加網(wǎng)絡(luò)的容量、滿足通信網(wǎng)絡(luò)需求，同時也具備定位功能增強的潛能。

UDN技術(shù)的引入，決定了5G將是由負責(zé)基礎(chǔ)覆蓋的宏站與承擔(dān)熱點覆蓋的低功率小站（如Micro、Pico、Femto等）構(gòu)成的多層覆蓋異構(gòu)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成倍增長，以及站間距的縮小，有助于CID-based定位技術(shù)的精度提升。而對于Range-based定位技術(shù)，由于小站呈無定形形態(tài)（一般可用PPP點過程進行建模），多邊定位的條件更易滿足。因此，借助UDN技術(shù)實現(xiàn)蜂窩定位性能的增強是必然趨勢。

Massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用為5G網(wǎng)絡(luò)解決AOA定位由于多徑和非視距環(huán)境導(dǎo)致的誤差大的問題提供了可能。在實際工程應(yīng)用中，由于AOA定位的環(huán)境通常存在多徑效應(yīng)，基站所接收到的信標的上行信號是NLOS信號和LOS信號的合成，而僅有LOS信號能夠精確表征信標與基站之間的到達角。在傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，分離并獲取LOS信號的實現(xiàn)成本相對較高。而Massive MIMO天線能產(chǎn)生定向的窄波束，窄波束對準的方向就是信標上行信號的到達方向AOA，因而在5G網(wǎng)絡(luò)中可以容易地獲取來自兩個基站的AOA測量值，進而計算出信標的準確位置。

D2D通信技術(shù)在室內(nèi)空間、大型商業(yè)綜合體室外區(qū)域等特殊場景下對定位服務(wù)的輔助作用最為明顯。通過終端直連，待定位信標所處環(huán)境下的其他終端均可以扮演類似于蜂窩網(wǎng)中的基站或WIFi網(wǎng)絡(luò)中的AP的角色，為信標提供參考信號到達時間差或到達角的測量服務(wù)，從而保證了信標與基站弱連接甚至無連接條件下的定位精度。

3.2 異構(gòu)定位系統(tǒng)融合

圖3 5G蜂窩定位性能增強技術(shù)

傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)了通信網(wǎng)與GNSS定位網(wǎng)絡(luò)的初步融合，但受限于其蜂窩網(wǎng)定位和衛(wèi)星定位自身的缺點和適用范圍，綜合2種或2種以上的定位技術(shù)以實現(xiàn)更高定位精度、更快定位速度、更廣定位范圍將是重要趨勢。而5G對Multi-RAT的支持，為蜂窩網(wǎng)融合GNSS、WiFi、ZigBee、iBeacon等技術(shù)，實現(xiàn)異構(gòu)定位系統(tǒng)的互補和誤差矯正提供了基礎(chǔ)條件。

融合的5G異構(gòu)定位系統(tǒng)需要通過合理的定位決策機制的設(shè)計，才能具備提供亞米級室內(nèi)外一致化定位服務(wù)能力的條件。定位決策機制的設(shè)計主要包括：干擾克服、場景智能識別、位置結(jié)果融合、定位算法、路徑擬合等。首先，在多系統(tǒng)共存環(huán)境下，需要引入有效的干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，既滿足通信系統(tǒng)的正常運行，也能兼顧定位網(wǎng)同時接收多個基站/位點信號的需求。隨后，由于不同定位技術(shù)的適應(yīng)范圍不同，5G異構(gòu)定位系統(tǒng)必須準確、智能地識別出信標當(dāng)前所處的環(huán)境，以便根據(jù)實際情況優(yōu)先選用性能最優(yōu)的定位系統(tǒng)（例如，室內(nèi)場景下采取WiFi定位結(jié)合蜂窩定位的方法，室外場景下選用A-GNSS的定位方法）。同時，場景智能識別技術(shù)還需支持高移動性，以隨時適應(yīng)環(huán)境的切換。緊接著，系統(tǒng)需具備位置結(jié)果融合的能力，通過多個系統(tǒng)定位結(jié)果的互補，有效降低定位誤差，提升定位精度。而位置結(jié)果融合的效果取決于定位算法的設(shè)計。最后，考慮到LBS應(yīng)用中，定位與導(dǎo)航往往是一體兩面的，5G異構(gòu)定位系統(tǒng)還需實現(xiàn)路徑擬合的能力，即通過定位結(jié)果與電子地圖的擬合，去除不合理的定位結(jié)果（例如禁行、穿墻、懸空等），從而保證導(dǎo)航的可用性。

圖4 5G異構(gòu)定位系統(tǒng)定位決策機制的設(shè)計

4 結(jié)束語

借助5G網(wǎng)絡(luò)中UDN、Massive MIMO、D2D等使能技術(shù)輔助提升蜂窩網(wǎng)自身定位精度，并迎合Multi-RAT的趨勢融合多種定位方法以實現(xiàn)室內(nèi)外協(xié)同一體化定位服務(wù)，是構(gòu)建5G通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)的重要解決思路，而構(gòu)建5G通信定位一體化網(wǎng)絡(luò)是滿足未來移動互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)高精度融合定位需求的最佳解決方案。文章對此做了簡要的探討和分析，希望能在一定程度上對實際的工程部署提供借鑒。