吳聲彬

（中移鐵通有限公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515041）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加載定位方式成為必備的應(yīng)用之一。當(dāng)前流行的定位技術(shù)以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS為主，但全球化的GPS傳播信號(hào)時(shí)會(huì)受到建筑物、位置環(huán)境等影響，導(dǎo)致定位范圍有所限制。雖然可通過其他定位技術(shù)如CID、TDOA、TOA等給予補(bǔ)充，但還是存在定位精度低的問題。從5G技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，提出了以下3種解決辦法：超密集分布的5G網(wǎng)絡(luò)，上下行解耦為高精度定位提供基礎(chǔ)；5G網(wǎng)絡(luò)的編碼規(guī)范、高頻、毫米波等的使用，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)測(cè)距，也為定位算法估算提供更多公式解法；多入多出MIMO技術(shù)及統(tǒng)一空口結(jié)構(gòu)，基站及終端可裝配N個(gè)天線，使互聯(lián)的節(jié)點(diǎn)之間判斷具有更高分辨性，為角度測(cè)量提供基礎(chǔ)。

1 高精度定位技術(shù)

經(jīng)過幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展，各種定位技術(shù)的基礎(chǔ)依然是幾何、指紋以及視覺等。幾何定位算法是利用節(jié)點(diǎn)之間的鄰近關(guān)系實(shí)現(xiàn)距離測(cè)算后給出定位位置，主要有基于測(cè)距（Range-Based）技術(shù)的定位算法和非基于測(cè)距（Range-Free）技術(shù)的兩種算法?；跍y(cè)距的定位數(shù)據(jù)獲得主要有基于信號(hào)強(qiáng)度（Receivde Signal Strength Indication，RSSI）、 基于到達(dá)時(shí)間（Time of Arrival，TOA）、基于到達(dá)時(shí)間 差[1]（Time Difference of Arriva，TDOA）、 基 于頻率（Frequency of Arrival，F(xiàn)OA）、基于到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）、基于位置標(biāo)識(shí)符的CID（Communication IDentifier）及基于全球定位系統(tǒng)GPS的A-GPS（Assisted-GPS）等典型的測(cè)距方法獲得各連接點(diǎn)之間的距離信息，然后進(jìn)行算法的測(cè)算。非基于測(cè)距技術(shù)主要通過連通各點(diǎn)之間或者路由列表信息進(jìn)行交互等辦法進(jìn)行估算連接點(diǎn)的距離或者角度，主要有距離向量算法（Distance Vector-hop，DVHop）、加權(quán)質(zhì)心法（Weighted Centroid）以及三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試算法（Approximate Point-in-Triangulation Test，APIT）等。

5G標(biāo)準(zhǔn)在這方面延續(xù)著基于測(cè)距各種算法的特性，特別是R16版有了極大的更新，在時(shí)間及角度上都特別加入了信號(hào)編碼。本文主要介紹通信系統(tǒng)中用到的RSSI、TOA、TDOA和AOA共4種基礎(chǔ)定位估算方法，但不進(jìn)行算法的推演。

1.1 RSSI

通過未知節(jié)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射載體的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行估算定位，主要使用發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度的衰減值，估計(jì)來自多組測(cè)量單元到移動(dòng)終端的距離，利用信號(hào)在空間的衰減進(jìn)行多邊測(cè)量得到距離值[1]，其中以上行參考信號(hào)電平值（Uplink Reference-Signal Receive Power，UL-RSRP）和下行參考信號(hào)電平值（Downlink Reference Signal Referencepower，DL-RSRP）為參數(shù)。考慮到復(fù)雜環(huán)境中通過信號(hào)到達(dá)時(shí)會(huì)被影響的各種因素，如多徑效應(yīng)、建筑物、繞射等隨機(jī)因素，利用多路由算法進(jìn)行規(guī)避，以提升定位精度。

1.2 TOA

通過未知節(jié)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射載體的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行估算距離和位置，利用電磁信號(hào)傳播速率不變、距離和時(shí)間成比例進(jìn)行估算。定位測(cè)量至少3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，依照未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)最近的位置，檢測(cè)定位信號(hào)到達(dá)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，列出方程式。另一種方式是發(fā)射載體發(fā)送信號(hào)時(shí)開始時(shí)間測(cè)算，在接收端收到信號(hào)后回傳信號(hào)，通過信號(hào)時(shí)間計(jì)算兩者的距離。它以上行鏈路到達(dá)時(shí)間（Uplink Relative Time of Arrival，UL-RTOA）和下行鏈路到達(dá)時(shí)間（Downlink Relative Time of Arrival，DL-RTOA）為參數(shù)，通過測(cè)量信號(hào)傳播路徑上的時(shí)間計(jì)算測(cè)量位置與基站間的距離。該算法需要雙方有一定精準(zhǔn)的時(shí)間，即需要時(shí)間同步。

1.3 TDOA

通過未知節(jié)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射載體的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在多個(gè)測(cè)量單位到達(dá)的時(shí)差估算位置。與TOA最大的不同在于TOA時(shí)間的關(guān)系，即利用時(shí)間刻度，TDOA返回信息是信號(hào)之間的時(shí)間差，如不同信號(hào)發(fā)射載體發(fā)出同頻信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，或者信號(hào)發(fā)射載體發(fā)射兩種速率的信號(hào)到達(dá)未知節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間差。計(jì)算TDOA估計(jì)算法主要物品的互相關(guān)性，以上行信號(hào)時(shí)間差（Uplink Reference Signal Timedifference，UL-RSTD）、下行信號(hào)時(shí)間差（Downlink Reference Signal Timedifference，DL-RSTD）和用戶接收發(fā)射時(shí)間差（UE RX-TX Time Difference）為信號(hào)參數(shù)，在相對(duì)時(shí)間差方程組或者最小平方差加權(quán)算法中求解方程組中的距離，在移動(dòng)終端位置上有一個(gè)精確的時(shí)間參考和信號(hào)參照，通過接收信號(hào)在周期內(nèi)延遲進(jìn)行估算。

1.4 AOA

通過未知節(jié)點(diǎn)與信號(hào)發(fā)射載體的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的角度方式進(jìn)行位置判斷，可利用最少兩個(gè)基站完成位置的定位。通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的天線陣列法計(jì)算相對(duì)方向角度，角度加節(jié)點(diǎn)間距離可以算出位置。主要困難點(diǎn)在于找到參考節(jié)點(diǎn)和確定距離。假設(shè)確定了測(cè)量角度，由空間直線方程找到角度方向線，在方向天線或天線陣列中來完成目標(biāo)的位置，以上行到達(dá)角（Uplink Angle-of-Arrival，UL-AoA）和下行到達(dá)角（Downlink Angle-of-Arrival，DL-AoA）為基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)量，節(jié)點(diǎn)之間形成弧形半徑，也就形成了一個(gè)位置的測(cè)量單元。需要說明的是，測(cè)量單元間不要求時(shí)間同步。

1.5 上行/下行信號(hào)

上行信號(hào)和下行信號(hào)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)。定位系統(tǒng)進(jìn)行交互的信號(hào)，是定位系統(tǒng)中最基本的交互模式。正常信標(biāo)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)為上節(jié)點(diǎn)，未知節(jié)點(diǎn)確認(rèn)為下節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)出信號(hào)與未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信就是下行信號(hào)；反之，未知節(jié)點(diǎn)將信號(hào)反饋信標(biāo)節(jié)點(diǎn)就是上行信號(hào)。5G中可借助位置參考信號(hào)（Positioning Reference Signal，PRS）、探測(cè)參考信號(hào)（Sounding Reference Signal，SRS）[1]進(jìn)行檢測(cè)定位。在5G系統(tǒng)中應(yīng)用有可編輯的信號(hào)單元，上下行信號(hào)作為信號(hào)的基礎(chǔ)進(jìn)行定位信息的交互?？紤]到5G系統(tǒng)集中化管理且正常信標(biāo)節(jié)點(diǎn)即基站相對(duì)固定，具有功率大、天線陣列的優(yōu)勢(shì)，基本采用下行信號(hào)為主信號(hào)，可提高定位覆蓋距離，降低定位系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻搜索的要求。

可見，測(cè)距定位技術(shù)是根據(jù)各類型的信號(hào)通信，利用算法測(cè)算距離，然后根據(jù)距離計(jì)算坐標(biāo)位置。計(jì)算距離是發(fā)射載體發(fā)出唯一強(qiáng)度或者不唯一而有規(guī)范的信號(hào)，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)通過雙方約定的算法計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離并進(jìn)行信號(hào)反饋，之間可通過建立特有模型進(jìn)行模擬得出所需要的距離或者方向，最后在這些距離中利用算法估算具體定位位置或者方位得到定位坐標(biāo)，如圖1所示。

圖1 信號(hào)流程圖

2 5G綜合定位系統(tǒng)

5G定位系統(tǒng)的處理首先將大量的5G基站建設(shè)到需要定位的區(qū)域，也可以表述為將已知的信標(biāo)放到各區(qū)域，各個(gè)5G信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過通信網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)具有位置功能的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具備定位信息。通過各種5G信標(biāo)節(jié)點(diǎn)探測(cè)進(jìn)入?yún)^(qū)域內(nèi)的未知信標(biāo)各種參數(shù)（如信號(hào)、距離、角度、速度和方向等），將信號(hào)送到信號(hào)處理中心進(jìn)行處理，并反饋信號(hào)處理完的結(jié)果。

目前，5G將發(fā)展成為多種應(yīng)用承載的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。定位系統(tǒng)可形成各種定位信號(hào)的指揮，如帶內(nèi)定位、WiFi等多種定位網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，而各種定位信號(hào)都可通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并在控制主機(jī)上進(jìn)行估算定位，而定位者可簡(jiǎn)單利用基站信號(hào)獲取定位信息。比如，通過圖2建立一套信號(hào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷[2]，從而完成對(duì)各類5G節(jié)點(diǎn)定位信號(hào)的處理，利用不同算法給出誤差最小的定位者位置，期間有各種5G信號(hào)的傳遞和反饋。

圖2 簡(jiǎn)單定位信號(hào)模型圖

要提供高精度定位服務(wù)，除了利用5G技術(shù)提升基礎(chǔ)定位技術(shù)，還需要將基站作為信號(hào)處理單位。為獲得高精度的定位信息，可以在基站加載不同的定位系統(tǒng)，利用定位系統(tǒng)的初步處理得出估算的定位信息，然后由信息處理中心進(jìn)行處理，簡(jiǎn)化了信息處理中心和定位者的定位能力。將定位信息在5G復(fù)合基站上進(jìn)行處理，可以弱化環(huán)境對(duì)定位者的要求，終端只需要處理各類型的定位信號(hào)，而計(jì)算由5G基站進(jìn)行管理。不同定位系統(tǒng)適用于不同的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)通信和定位綜合使用，并通過信息處理中心對(duì)定位進(jìn)行判斷和信號(hào)處理，如圖3所示。

圖3 復(fù)合型定位系統(tǒng)

在既有復(fù)雜的環(huán)境中，單一的定位算法存在誤差。如果采用多種算法和定位技術(shù)的融合，即在網(wǎng)絡(luò)層上應(yīng)用多種高精度定位技術(shù)以及補(bǔ)充各種定位技術(shù)，利用基本定位技術(shù)結(jié)果進(jìn)行第一道判斷，而其他各種定位技術(shù)測(cè)試量進(jìn)行預(yù)測(cè)的混合算法，可在不同層面反饋和判斷定位數(shù)據(jù)，得出一定范圍內(nèi)的誤差定位坐標(biāo)，有利于提高定位精度。這里定位信號(hào)不是各種信號(hào)的各種處理模型，而是統(tǒng)一的信號(hào)，只是來源不同由同一系統(tǒng)處理，擴(kuò)大了整套定位覆蓋面。5G網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)平臺(tái)，主要處理同步、輔助和定位信號(hào)，在網(wǎng)絡(luò)層面建立了反饋式定位決策機(jī)制，利用不同信號(hào)來源綜合估算定位坐標(biāo)，輸出最優(yōu)定位結(jié)果。反饋信息也是統(tǒng)一信號(hào)，估算出高精度定位坐標(biāo)信息由5G基站輸送到終端或者定位者，提高定位的可靠性和穩(wěn)定性。利用各種定位技術(shù)及有預(yù)判能力的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)合，如圖4所示。

圖4 通信定位綜合網(wǎng)絡(luò)

該網(wǎng)絡(luò)支持通過5G通信網(wǎng)絡(luò)承載各種定位系統(tǒng)，以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，融合各種定位信息，構(gòu)建一體化的融合處理結(jié)構(gòu)與模式，并在系統(tǒng)中提出自適用的方法，主要體現(xiàn)在定位網(wǎng)元和管理網(wǎng)元中。以前的一些網(wǎng)絡(luò)無法融合[2]，比如接口不匹配或者硬件不通，利用軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)和定位網(wǎng)一體化的目標(biāo)，支持通信和定位覆蓋。定位設(shè)備通過增強(qiáng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)存在，包括藍(lán)牙、視覺、帶內(nèi)定位網(wǎng)、共頻帶定位技術(shù)、WiFi、BD/GNSS等多源信息的融合。各種定位網(wǎng)絡(luò)支持接入5G網(wǎng)絡(luò)，在終端或者基站中進(jìn)行融合，達(dá)到了統(tǒng)一進(jìn)行定位的功能。

利用5G基站基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)在該網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行各種定位系統(tǒng)的加載，通過3種網(wǎng)絡(luò)從簡(jiǎn)易的定位系統(tǒng)到復(fù)合型定位系統(tǒng)，最后提出了一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將高精度定位網(wǎng)絡(luò)與5G通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。

3 結(jié) 論

隨著萬物互聯(lián)的發(fā)展，以低時(shí)延、陣列天線、密集組網(wǎng)等技術(shù)為代表的5G通信技術(shù)，為物物的智能互聯(lián)、工業(yè)數(shù)字化提供了基礎(chǔ)，而網(wǎng)絡(luò)通信與位置定位需求是各種應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文分析了定位系統(tǒng)和5G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)等，在雙方通信中借助移動(dòng)通信網(wǎng)優(yōu)勢(shì)和5G技術(shù)特點(diǎn)，提出了在5G條件下的綜合定位系統(tǒng)，同時(shí)解決了高精度能力和定位范圍的問題。