Как сети 5G улучшат осведомленность о местоположении?

3GPP Release 16 обещает сделать услуги высокоточного определения местоположения более дешевыми и надежными. Использование новых свойств сигнала в сочетании с множеством несотовых технологий может позволить создать гибридное позиционирование.

3GPP Release 16 обещает сделать услуги высокоточного определения местоположения более дешевыми и надежными. Использование новых свойств сигнала в сочетании с различными несотовыми технологиями может позволить создать гибридное позиционирование.

Вы доверяете своему GPS? Готовы ли вы слепо следовать ему? Хотя мы редко думаем об этом как о таковом, считывание местоположения с приемника глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS) в нашем смартфоне или автомобиле является статистической величиной. Он сообщает вам, что с заданной вероятностью - скажем, 50% - вы находитесь на определенном расстоянии - скажем, 1 метр - от указанной позиции. В конечном итоге то, как вы относитесь к предоставленной информации, зависит от того, насколько вы готовы доверять выводам, которые выдает ваше устройство.

Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS)

GNSS уже давно является единственным источником точных оценок местоположения для пользовательских устройств. Но по мере того, как приложения становятся все более распространенными, разнообразными и критически важными для безопасности, понимание того, как количественно оценить надежность показаний, и наличие альтернативных источников ввода, к которым можно вернуться, когда GNSS недоступна, стали первостепенными для их успеха.

GNSS, конечно, не единственный доступный источник информации о местоположении. Устройства с сотовым модемом могут определять свое приблизительное местоположение с помощью сотовых сигналов. Ключевые игроки на рынке, такие как u-blox, уже давно предлагают решения для определения местоположения на основе сигналов сотовой связи и гибридные решения для позиционирования в своих модулях сотовой связи, при этом последние объединяют сигналы GNSS и сотовые сигналы, чтобы расширить охват услугами определения местоположения.

В настоящее время позиционирование 5G, часто упускаемый из виду компонент конструкции технологии 5G, разрабатывается и стандартизируется отраслевым проектом 3GPP (Проект партнерства третьего поколения). Этот орган, объединяющий семь организаций, занимающихся разработкой телекоммуникационных стандартов, и сотни корпоративных членов, продвигает развитие позиционирования 5G как компонента технологии сотовой связи следующего поколения с учетом потребностей различных отраслевых вертикалей.

Краткий обзор

Позиционирование играет важную роль в обеспечении сотовой связи с самого начала. Изначально это был простой побочный продукт:для маршрутизации входящих вызовов на конечное устройство получателя операторы мобильных сетей должны были знать, к каким конкретным конечным пользователям базовых станций сотовой связи были подключены в любой момент времени.

Ситуация изменилась в 1999 году, когда регулирующие органы США ввели требования к высокоточной оценке местоположения для обеспечения работы служб экстренной помощи, что привело к появлению первого поколения специализированных служб определения местоположения на основе сотовой технологии. ¹ ЕС последовал примеру США в 2002 году. ² С тех пор спектр услуг по определению местоположения расширялся с каждым последующим поколением сотовых технологий, что обусловлено в первую очередь отраслевыми требованиями и стандартизовано 3GPP.

В результате современные сети 4G LTE предлагают операторам мобильной связи широкий спектр подходов для определения местоположения каждого пользователя с разной степенью точности. Эти подходы используют преимущества различных комбинаций инфраструктуры фиксированной и мобильной сети, а также внешних источников, таких как спутники определения местоположения.

В следующей таблице представлены основные службы определения местоположения 4G LTE. ³

Таблица 1. Основные службы определения местоположения 4G LTE

Новые варианты использования и требования

В то время как основным драйвером для услуг на основе определения местоположения были требования регулирующих органов, сегодня несколько государственных и частных компаний, включая производителей оборудования и оборудования, космические агентства и операторов мобильной связи, настаивают на предоставлении более высокой точности и точности с помощью служб определения местоположения сотовой связи. для создания нового поколения коммерчески мотивированных сервисов на основе определения местоположения.

Эти приложения в широком смысле классифицируются как UE-Assisted, в которых сеть и внешнее приложение получают позицию, чтобы отслеживать местонахождение объекта, и UE-based, в которых UE вычисляет свое собственное положение для целей навигации и руководства. . ⁴

В то же время проникновение Интернета вещей (IoT) во все аспекты нашей экономики и социальной жизни увеличивает ожидания в отношении охвата и надежности технологий позиционирования. В то время как сегодня мы ожидаем иметь доступ к высокоскоростному Интернету практически повсюду, то же самое, вероятно, станет справедливым и для высокоточного позиционирования.

В результате 3GPP и другие органы по стандартизации по-новому взглянут на пространство приложений и требования к производительности для сотового позиционирования в своих будущих выпусках. Сценарии использования, которые могут извлечь выгоду из улучшенных услуг высокоточного позиционирования, разнообразны, включая промышленность, отслеживание активов, автомобилестроение, управление дорожным движением, умные города, общие велосипеды, больницы, беспилотные летательные аппараты, общественные услуги, дополненную реальность (AR), а также потребительские и профессиональные носимые устройства.

В целом технология 5G нацелена на предоставление множества услуг сотового и гибридного позиционирования, обеспечивающих как абсолютное, так и относительное позиционирование, в зависимости от потребностей каждого конкретного случая использования. Важная информация о местоположении должна предоставляться с определенной степенью уверенности, которая может быть оказана на показания. Ключевые требования, которые еще предстоит полностью определить и согласовать, - это точность по горизонтали и вертикали, относительная точность (между соседними устройствами), время до первого исправления, точность скорости, энергопотребление, задержки, а также эксплуатационные характеристики и свойства, связанные с безопасностью. . ⁵

Далее мы рассмотрим требования, предъявляемые к трем вариантам использования, в частности, в вертикальных отраслях:(i) миссии и операции с БПЛА, (ii) приложения для отслеживания IIoT и (iii) автономная навигация транспортных средств. Значения, указанные для первых двух вариантов использования, взяты из технического отчета 3GPP TR 22.872. ⁶ Те, которые предназначены для автомобильного использования, которое включает широкий спектр конкретных приложений, взяты из дополнительных ссылок. ^7,8

Рисунок 1. Требования к развивающимся вариантам использования позиционирования 5G в трех выбранных вертикалях.

Как новое поколение приемников GNSS меняет местоположение

В последние годы спутниковое позиционирование стремительно развивается. На заре спутниковой навигации приемники GNSS должны были полагаться на одну группировку орбитальных спутников, будь то американские системы GPS или российские системы ГЛОНАСС, для определения своего местоположения. Теперь существует больше операционных систем с европейской системой Galileo и китайской системой Beidou, а также несколько региональных систем дополнения, добавленных к исходным двум. Сегодня приемники GNSS с несколькими созвездиями, которые могут одновременно принимать сигналы от всех орбитальных созвездий GNSS, такие как поколение приемников u-blox F9, становятся нормой. В результате приемники могут «видеть» большее количество спутников, даже когда большие участки неба закрыты, например, в городских (или реальных) каньонах, что повышает точность и сокращает время на определение местоположения.

Первоначально приемники GNSS использовали спутниковые сигналы, передаваемые в одной полосе частот, для оценки своего местоположения. Один из основных источников ошибки положения возникает, когда спутниковые сигналы замедляются при прохождении через заряженную ионосферу. Поскольку эта задержка пропорциональна обратной величине квадрата частоты, использование сигналов из дополнительных полос частот может помочь определить и исправить ионосферную ошибку. Последнее поколение двухдиапазонных приемников GNSS снизило среднюю ошибку определения местоположения с примерно 2,5 м до менее одного метра в условиях открытого неба с использованием стандартного позиционирования на основе кода.

Качество определения местоположения GNSS уже давно зависит от коммерческих услуг по корректировке GNSS. Поставщики услуг коррекции GNSS обычно отслеживают входящие сигналы GNSS, используя сеть базовых станций с точно известными положениями, и передают индивидуализированную информацию коррекции конечным пользователям за плату. Для позиционирования на основе кода это называется дифференциальными поправками.

При использовании методов высокоточного отслеживания фазы несущей в режиме RTK (кинематика в реальном времени) поправки, полученные от ближайшего опорного приемника, позволяют достичь позиционирования с сантиметровым уровнем. Сегодня создается новое поколение услуг коррекции GNSS, которое использует альтернативный подход, транслируя код GNSS и данные коррекции фазы несущей для всего географического региона, например страну или весь континент через Интернет или спутник.

Комбинация многосозвездных и многодиапазонных приемников с новыми схемами коррекции GNSS для достижения точности сантиметрового уровня при значительном снижении стоимости владения открывает путь для новых типов приложений массового рынка для высокоточного позиционирования сантиметрового уровня. .

Тем не менее, GNSS по-прежнему страдает двумя недостатками:приемники должны быть идеально в пределах прямой видимости орбитальных спутников для определения местоположения. В помещении и в туннелях услуги ухудшены или даже недоступны. И, в лучшем случае, приемнику GNSS требуется несколько секунд, чтобы впервые однозначно определить свое положение с холодного старта. Решения для точного счисления, основанные на инерциальных датчиках, в первую очередь адаптированные для автомобильных приложений, значительно расширяют сферу применения высокоточного позиционирования за пределы досягаемости сигналов GNSS. Вспомогательная GNSS (A-GNSS) ускоряет время для первого исправления, предлагая более быстрый способ получения данных об орбите и времени GNSS, чем через сами сигналы GNSS.

Как 5G принесет новые улучшения в позиционирование на основе сотовой связи

5G New Radio, новое поколение сотовых технологий, определенных 3GPP версии 15, уже находится в разработке. ⁹ Конечные пользователи в некоторых регионах сначала получат доступ к автономной архитектуре, основанной на 4G LTE, уже в первом полугодии 2019 года, при этом Samsung и Verizon, LG и Sprint, а также Huawei выпустят смартфоны 5G в начале 2019 года, а Apple, как ожидается, последует за этим. 2020. ¹⁰ За этим последует развертывание автономной сети 5G.

Несколько операторов мобильной связи уже публично объявили о развертывании сетей 5G, начиная с городских центров. США лидируют. AT&T начала развертывание в 2018 году и продлится до 2019 года с целью обеспечить общенациональное покрытие в середине года. ¹¹ В Корее, второй стране, вступившей в гонку, телекоммуникационные компании совместно объявили о планах развертывания 5G в марте 2019 года. ¹² В Великобритании Vodafone объявила о планах начать внедрение этой технологии в 2020 году. Однако услуги высокоточного позиционирования не станут частью спецификаций 3GPP 5G NR до версии 16 примерно в конце 2019 года, а развертывание произойдет не раньше 2020 года.

Движущие силы 5G разнообразны. Новые приложения предъявляют повышенные требования к надежности, доступности, покрытию и задержке производительности сотовой сети. Операторы мобильных сетей стремятся к использованию 5G для создания новых источников дохода из отраслевых вертикалей. Поставщики наборов микросхем видят в 5G возможность увеличения доходов за счет лицензирования прав интеллектуальной собственности. А пользователи получат более высокие скорости передачи данных, о которых они просили.

Технология сотовой связи 5G удовлетворяет эти разнообразные требования с помощью трех основных сценариев использования:eMBB, uRLLC и mMTC, которые мы кратко описываем ниже.

• eMBB (расширенная мобильная широкополосная связь) расширяет спектр, предназначенный для сотовой связи, до гораздо более высоких частот, которые позволяют передавать данные на более высоких скоростях.
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) открывает новые возможности, такие как автономные транспортные средства и приложения для связи между транспортными средствами (V2X).
• mMTC (массовая связь типов машин) продолжит развитие приложений Интернета вещей в связи с малым энергопотреблением (LPWA).

Включение позиционирования в этих сценариях требует новых сигналов и новой инфраструктуры, которые можно использовать для расширения диапазона доступных методов, ¹³ включая более широкую полосу пропускания на более высоких частотах, большее количество антенн, объединенных в сложные антенные решетки, и более плотные телекоммуникационные сети. Цели амбициозны:точность определения местоположения ниже метра с низкой задержкой менее 15 миллисекунд.

5G предлагает большую полосу пропускания и большую частоту

3GPP в настоящее время фокусируется на внедрении множества методов позиционирования 4G LTE в 5G. Обычно они используют сигналы восходящей и нисходящей линий связи для определения положения отдельных оконечных устройств, чтобы определить их положение относительно антенн мобильной сети, которые служат в качестве точек привязки. Примерами являются подходы на основе улучшенного Cell-ID и TDOA.

В улучшенной Cell-ID конечные устройства контролируют свою близость к нескольким базовым станциям, измеряя уровень сигнала и приблизительное время распространения до устройства. Комбинируя эти наблюдения, можно рассчитать более точную оценку положения устройства, чем просто измерение центра ближайшей ячейки.

В подходах на основе TDOA оконечное устройство точно измеряет время прихода сигналов от нескольких базовых станций. Используя мультилатерацию, основанную на разнице во времени между наблюдаемыми временами приема, устройство может определять свое положение относительно наблюдаемых базовых станций более точно, чем при использовании расширенного Cell-ID.

Другой класс - это пока еще плохо используемая боковая линия связи, технология 4G LTE, предполагающая обмен данными между устройствами, которая может позволить устройствам определять свое положение относительно друг друга. Очевидный вариант использования - связь между автомобилями (V2V).

Новое распределение спектра 5G является хорошей новостью для позиционирования на основе сотовой связи, в частности, из-за наличия более широких полос пропускания, которые расположены на более высоких частотах (миллиметровые волны выше 24 ГГц в дополнение к частотам ниже 6 ГГц). Большая полоса пропускания означает, что время сигнала может быть более точно определено (существует обратная зависимость между временем и полосой пропускания), поэтому более широкая полоса пропускания обеспечивает улучшенную возможность устранения эффектов многолучевого распространения, основного источника ошибок в загроможденных городских условиях и в помещениях, поскольку сигналы распространяются по-разному. пути прибывают в разное время.

Переход 5G на новые частоты также влияет на географическое развертывание базовых станций сотовой связи и используемых антенных технологий, что опять-таки способствует позиционированию на основе сотовой связи. Поскольку они несут более высокие потери при распространении, более короткие длины волн имеют меньший диапазон, чем более длинные, а это означает, что операторам мобильной связи потребуется развернуть больше базовых станций для поддержания покрытия. Кроме того, внедрение антенных решеток с возможностью формирования диаграммы направленности поможет направлять сигналы конечным пользователям. Более высокая плотность направленных антенн улучшит разрешение компонентов многолучевого распространения за счет измерения задержки, угла прихода (AoA) и угла отклонения (AoD), улучшая характеристики позиционирования. Кроме того, может появиться возможность локализовать устройства с помощью одной базовой станции.

Повсеместное высокоточное позиционирование потребует гибридных подходов

Ни один единый подход не сможет надежно обеспечить точность, требуемую целевым сценарием использования, во всех условиях окружающей среды. Как мы видели, хотя современные решения на основе GNSS могут надежно обеспечивать высокую точность определения местоположения, они имеют ограничения для приложений внутри помещений. С другой стороны, решения позиционирования на основе 5G могут дополнять и обеспечивать точные оценки местоположения как для внутренних, так и для наружных сценариев.

Для достижения этих целей наиболее многообещающими являются гибридные решения, которые оптимально сочетают несколько сотовых подходов с несотовыми подходами, такими как GNSS, наземные радиомаяки (TBS), измерения на основе Wi-Fi и Bluetooth и инерционные измерения (IMU). Дополнительные избыточности позволяют повысить отказоустойчивость и улучшить целостность всего решения, обеспечивая количественный показатель достоверности, который сопровождает каждую оценку положения.

Признавая перспективность решений гибридного позиционирования для создания новых приложений, объем исследования 3GPP включает в себя сигналы GNSS и спутников, а также наземные сигналы, такие как Wi-Fi и Bluetooth, и многое другое. Результирующие решения, вытекающие из элемента исследования 3GPP, нацелены на включение в спецификации радиосвязи для Release 16 - Q1 2020.

Задачи 3GPP

3GPP поставил перед собой амбициозные цели:выпуск 16 запланирован на первое полугодие 2020 года. Внедрение решений позиционирования на основе сотовой связи поверх разнообразного сигнального ландшафта 5G будет сложной задачей, равно как и поощрение своевременного развертывания инфраструктуры для обеспечения достаточно широкого охвата для привлечения клиентов. достаточно большая база пользователей.

Как мы видели, гибридные подходы к позиционированию будут иметь решающее значение для удовлетворения строгих потребностей новых приложений, в частности, поскольку ожидание высокой точности позиционирования везде и всегда становится нормой. Это неизбежно потребует от представителей различных технологий - будь то GNSS, сотовая связь, ближняя связь, спутниковая связь или другие - работать вместе, чтобы получить результат, который лучше, чем сумма его составляющих.

Уникальное положение u-blox в отрасли как ведущего поставщика технологий GNSS, беспроводной и сотовой связи малого радиуса действия делает появление подходов к позиционированию 5G, в частности, сочетания технологий, особенно захватывающим. Гибридное позиционирование основывается на конвергенции наших основных компетенций, и мы видим огромный потенциал для инноваций, новые уровни производительности и новые варианты использования. Поскольку мы вносим свой вклад в ускорение объединения этих разных миров, чтобы обеспечить лучшее и более комплексное решение, мы не можем не надеяться на результат.

Соавтором этой статьи является Дэвид Бартлетт, старший главный инженер отдела позиционирования продуктового центра u-blox.

Ссылки

• 1) Службы FCC 911 и E911
• 2) Краткое изложение законодательства ЕС:доступные телекоммуникационные услуги - права пользователей.
• 3) На основе «Эволюции методов позиционирования в сотовых сетях от 2G к 4G», Рафаэль Сараива Кампос, Хиндави, 2017 г.
• 4) UE - аббревиатура от User Equipment.
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Технический отчет, Проект партнерства третьего поколения; Услуги группы технической спецификации и системные аспекты; Изучение вариантов использования позиционирования; Этап 1, (Выпуск 16)
• 7) Высокоточное позиционирование для Cooperative-ITS (HIGHTS), результат проекта D2.1:сценарии использования и требования к приложениям (1 мая 2015 г.)
• 8) Отчет о потребностях и требованиях участников дорожного движения, итоги работы Европейской платформы для консультаций с пользователями GNSS, Европейское агентство глобальных навигационных спутниковых систем (GSA) (18 октября 2018 г.).
• 9) Достигнута веха в архитектуре системы - этап 1 5G, 3GPP (21 декабря 2017 г.)
• 10) Лучшие телефоны 5G:каждый телефон 5G объявлен и появится в 2019 году.
• 11) AT&T называет 99 новых рынков развития 5G
• 12) Руководители операторов связи обязуются провести «День Кореи 5G».
• 13) Официальный документ о новых методах локализации для беспроводных систем 5G и Интернета вещей, COST Action CA15104, IRACON; Педерсен, Троелс; Флери, Бернар Анри

Отраслевые статьи - это форма содержания, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного содержания. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.