Как 5G Release 16 революционизирует точность позиционирования

3GPP Release 16 обещает более дешевые и надежные сервисы высокоточного позиционирования за счет новых характеристик сигналов и интеграции разнородных неклеточных технологий, открывая путь к гибридному позиционированию.

Когда мы нажимаем на GPS-координату в телефоне, нам представляется статистическая оценка. Это значение представляет вероятность — часто 50% — того, что устройство находится в определенном радиусе, например, 1 метр, от сообщенной позиции. Насколько мы доверяем этой цифре, зависит от того, как генерируются и верифицируются базовые данные.

Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС)

ГНСС давно является золотым стандартом точного позиционирования, но растущий аппетит к приложениям, критичным для безопасности и требующим высокой точности, требует надежных метрик доверия и вариантов отката, когда спутниковые сигналы недоступны.

Сотовые модемы уже обеспечивают грубое позиционирование путем триангуляции сотовых сигналов. Ведущие производители, такие как u-blox, предлагают гибридные модули, объединяющие ГНСС с сотовыми данными для расширения покрытия и надежности.

5G-позиционирование — часто упускаемый из виду аспект экосистемы 5G — теперь стандартизируется промышленностью через 3GPP. Эта организация, объединяющая семь технических органов и сотни корпоративных членов, направляет 5G-позиционирование к потребностям различных вертикалей.

Краткий ретроспектив

Позиционирование было неотъемлевой частью сотовых сетей с самого начала, изначально использовалось для маршрутизации вызовов к правильной базовой станции. Регуляторные требования к службам экстренной помощи в 1999 году и в ЕС в 2002 году ускорили эволюцию сотовых сервисов локализации, которую 3GPP постоянно совершенствует.

Сегодняшняя инфраструктура 4G LTE предлагает набор методов локализации — Cell-ID, Enhanced Cell-ID, TDOA и другие — каждый с разной точностью и покрытием. Приведенная ниже таблица (Рисунок 1) резюмирует эти техники.

Таблица 1. Основные сервисы локализации 4G LTE

Новые сценарии использования и требования

Помимо регуляторных мандатов, растущая когорта производителей оборудования, космических агентств и операторов требует субметровой точности для включения сервисов следующего поколения. Приложения варьируются от автономных транспортных средств и БПЛА до умных городов, носимых устройств и AR.

5G обещает сочетание абсолютного и относительного позиционирования, каждое с квантованным уровнем доверия. Ключевые показатели эффективности — горизонтальная/вертикальная точность, относительная точность, время до первой фиксации, точность скорости, потребление энергии, задержка и безопасность — все еще уточняются в Release 16.

Рисунок 1 иллюстрирует строгие целевые показатели точности для трех вертикалей — миссий БПЛА, отслеживания IIoT и навигации автономных транспортных средств — основанные на 3GPP TR 22.872 и смежных исследованиях.

Рисунок 1. Требования для новых сценариев 5G-позиционирования в трех выбранных вертикалях.

Как новое поколение ГНСС-приемников меняет позиционирование

Современные ГНСС-приемники теперь используют множество созвездий — GPS, ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou — и во многих случаях региональные системы увеличения. Многосозвездные, многодиапазонные устройства (например, u-blox F9) могут захватывать больше спутников даже в городских ущельях, улучшая как точность, так и время до фиксации.

Двухдиапазонные приемники смягчают ионосферные задержки за счет частотного разнообразия, снижая средние ошибки с ~2,5 м до менее 1 м в условиях открытого неба. Коммерческие сервисы коррекции, включая дифференциальные и RTK, еще больше повышают точность до сантиметрового уровня.

Новейшие схемы вещания коррекций нацелены на доставку высокоточных данных по целым регионам через Интернет или спутник, снижая стоимость при сохранении точности.

ГНСС все еще испытывает трудности в помещениях и тоннелях и страдает от задержки холодного запуска в несколько секунд. Ассистируемое ГНСС (A-GNSS) и инерциальные навигационные системы (INS) могут заполнить эти пробелы, особенно в автомобильном контексте.

Как 5G принесет улучшения в клеточное позиционирование

5G New Radio, определенный в 3GPP Release 15, уже развертывается в несамостоятельных и автономных конфигурациях по всему миру. Хотя первые коммерческие развертывания 5G начались в 2019 году, стандарты высокоточного позиционирования будут введены в Release 16, запланированном на конец 2019 года с развертыванием в 2020 году.

Операторы рассматривают 5G как драйвер выручки по трем основным сценариям: eMBB (улучшенный мобильный широкополосный доступ), uRLLC (сверхнадежные низколатентные коммуникации) и mMTC (массовые машинно-типовые коммуникации). Каждый сценарий требует более высокой точности, более низкой задержки и более высокой надежности.

• eMBB: более высокие частоты и большие полосы пропускания обеспечивают более быструю передачу данных.
• uRLLC: критично для автономных транспортных средств и V2X-приложений.
• mMTC: поддерживает растущую экосистему IoT.

Клеточное позиционирование будет использовать восходящие и нисходящие сигналы, Enhanced Cell-ID, TDOA и потенциально техники боковой связи (sidelink) устройство-устройство. Более широкие полосы 5G, особенно в мм-диапазонах выше 24 ГГц, уточняют временное разрешение и смягчают многолучевое затухание.

Развертывание на более высоких частотах приводит к более плотным сетям базовых станций и передовым антенным решеткам с формированием луча, улучшая измерения задержки, угла прибытия и угла отхода. В некоторых случаях одной базовой станции может быть достаточно для точной локализации.

Всеместное высокоточное позиционирование потребует гибридных подходов

Ни одна технология не может гарантировать строгую точность, требуемую во всех средах. ГНСС превосходит на улице, но не работает в помещениях; 5G сияет и в помещениях, и на улице. Гибридные решения, сливающие ГНСС, сотовую связь, Wi-Fi, Bluetooth, наземные маяки и инерциальные данные, обеспечивают избыточность и целостность, необходимые для позиционирования с высокой достоверностью.

Область исследования 3GPP явно включает ГНСС, наземные сигналы и короткодистанционную беспроводную связь, нацеливаясь на спецификации Release 16 к Q1 2020 года.

Вызовы перед 3GPP

Поставка клеточного позиционирования в разнообразном сигнальном ландшафте 5G требует сложной интеграции и быстрого развертывания инфраструктуры. Отрасль должна сотрудничать через ГНСС, сотовую, спутниковую и короткодистанционные домены, чтобы создать решения, превосходящие сумму их частей.

Экспертиза u-blox в ГНСС, короткодистанционной беспроводной связи и сотовых технологиях уникальным образом позиционирует её для ускорения 5G-гибридного позиционирования, способствуя инновациям и открывая новые приложения.

Статью соавторизовал Дэвид Бартлетт, старший главный инженер, Центр продуктов позиционирования в u-blox.

Ссылки

• 1) FCC 911 и E911 Services
• 2) Резюме законодательства ЕС: Доступные услуги связи — права пользователей
• 3) «Эволюция техник позиционирования в сотовых сетях, от 2G до 4G», Рафаэль Сарайва Кампос, Hindawi, 2017
• 4) UE — User Equipment (пользовательское оборудование)
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Технический отчет, 3rd Generation Partnership Project
• 7) Высокоточное позиционирование для Cooperative-ITS (HIGHTS), Deliverable D2.1 (May 1, 2015)
• 8) Отчет о потребностях и требованиях пользователей дорог, European GNSS Agency (GSA) (October 18, 2018)
• 9) Достигнут этап системной архитектуры 5G Phase 1, 3GPP (December 21, 2017)
• 10) Топ 5G телефонов: каждый анонсированный 5G телефон в 2019 году
• 11) AT&T Names 99 New 5G Evolution Markets
• 12) Руководители операторов verpflichtются к «Korea 5G Day»
• 13) Whitepaper on New Localization Methods for 5G Wireless Systems and the Internet-of-Things, COST Action CA15104, IRACON

Индустриальные статьи — форма контента, позволяющая промышленным партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits способом, не подходящим для редакционного контента. Все индустриальные статьи подлежат строгим редакционным рекомендациям с намерением предложить читателям полезные новости, техническую экспертизу или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в индустриальных статьях, принадлежат партнеру и не обязательно All About Circuits или его авторам.