5G无线定位技术标准化及发展趋势

焦慧颖，王志勤，杜滢，沈霞

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

移动定位业务是移动通信系统采用特定的定位技术获取终端的地理位置信息，用于紧急救援、导航和基于位置的管理等业务。移动通信系统利用外部辅助信号实现定位，如辅助全球导航卫星系统（A-GNSS,Assisted Global Navigation Satellite System）定位；利用自定义的定位信号，支持多种定位方式，如下行到达时间观测差定位（OTDOA,Observed Time Difference of Arrival）、基于定时提前量（TA,Timing Advance）和来波方向（AoA,Angle of Arrival）定位以及上行到达时间差（UTDOA,Uplink Time Difference Of Arrival）定位方法。

相比于4G，5G系统的大带宽和大规模天线设计能提供更高精度的定位能力，实现亚米级定位。5G系统支持百兆级带宽，大带宽对应更低采样间隔，其可测量最小距离差异的时间分辨率越高，实现更高定位精度，100 MHz 5G系统的定位精度为米级，带宽为400 MHz的5G毫米波系统达到亚米级。5G多输入多输出技术（MIMO）利用多根发射天线和接收天线的组合提供更多的空间自由度，随着空间样本数增加，到达角和离开角度的信息增加，角度的分辨率随之提升，能够判别更精准的地理位置，此外，大量发送天线能够获得更窄的波束，进一步提高离开角的分辨率。

3GPP Rel-15 NR定义了NR定位协议A（NRPPA），没有标准化基于NR的无线定位技术。在Rel-16阶段研究了基于NR的定位技术，定义新的定位参考信号和终端/基站（UE/gNB）测量，更新定位的信令协议和过程。下面详细介绍5G定位技术和标准情况。

1 5G定位协议架构

如图1所示，5G定位架构包括终端、基站和定位管理（LMF）等功能模块，其中终端和定位管理功能模块之间沿用了4G系统的LTE定位协议（LPP），终端根据定位请求获取位置测量信息，在本地计算位置或将测量信息转发给定位管理功能模块进行位置计算，定位管理功能模块和基站之间采用了NR专用的NR定位协议A（NRPPA），基站侧向定位管理功能模块提供定位相关信息，并在定位管理功能模块和目标终端传输定位信息。

图1 NR无线定位协议架构

2 下行定位参考信号

NR定义了新的下行定位参考信号（DL PRS,Downlink Positioning Reference Signal），用于终端对时间差和角度的测量，获得定位信息。相比LTE的PRS信号，5G DL PRS具有以下特点：

（1）DL PRS采用了Gold序列，序列个数是4 096，用于保持下行多TRP之间的干扰随机化和良好的序列互相关特性，以支持在不同网络部署情况下，UE能够检测到多个TRP的DL PRS，便于实现多点定位。

（2）DL PRS支持发送波束扫描和接收波束扫描，可以实现对多个不同波束上DL PRS资源的合并处理，获得合并增益，提升定位性能。

（3）支持灵活的DL PRS的时频域资源配置，满足不同应用场景下的定位精度，避免资源浪费。

5G定义下行定位DL PRS资源集合，用于指示同一个发送点（TRP）的一组DL PRS资源，一个DL PRS资源为一个TRP的一组下行时频资源，每个DL PRS资源具有一个DL PRS资源ID。NR支持DL PRS的多波束扫描操作，一个DL PRS资源集合包含的每个DL PRS资源分别采用不同的下行波束发送，每个终端接收最优下行发送波束的DL PRS资源，进行相应的测量上报。如图2所示。

图2 DL PRS发送的配置结构

DL PRS资源在时域上为多个连续的OFDM符号，频域上占用多个连续的PRB，并且以梳状的方式支持多个不同DL PRS资源在不同的子载波上复用。

DL PRS序列为伪随机序列，其生成序列的初始值是PRS序列ID、时隙索引和符号索引的函数。通过高层配置DL PRS的频域起始PRB和带宽，其中起始PRB配置参数的粒度是一个PRB，带宽配置的粒度是4个PRBs，可配置的最小带宽为24个PRBs，最大带宽为272个PRBs，一个DL PRS资源集合中的所有PRS资源有相同的起始PRB和带宽。

DL PRS资源的资源单元（RE,Resource Element）的图样在时域上是交错的。首先配置DL PRS资源中的第一个符号频率域的RE偏置，接下来符号的相对RE偏置为相对于第一个符号的频率域RE的偏置，具体相对RE偏置的数值由DL PRS资源占用的OFDM符号个数、DLPRS资源的梳状值（comb size）和DL PRS符号索引决定，其中DL PRS资源的OFDM符号个数可以灵活配置为2、4、6和12符号，支持梳状值为2、4、6和12。

DL PRS是周期性发送的，具体支持的周期值为：2μ{4,5,8,10,16,20,32,40,64,80,160,320,640,1 280,2 560,5 120,10 240} 个时隙，其中μ=0,1,2,3分别对应于15 kHz、30 kHz、60 kHz和120 kHz子载波间隔，一个DL PRS资源集合中的所有PRS资源有相同的周期。

DL PRS定义两类时间偏置，用于指示DL PRS资源集到时隙的映射，以及DL PRS资源到物理资源的映射。一类是基于DL PRS资源集的，为该发送TRP的DL PRS资源集相对于参考TRP的SFN0时隙0的偏置，具体配置DL-PRS-SFN0-Offset为对应TRP的SFN0时隙0相对参考服务TRP的时间偏置，DL-PRS-ResourceSetSlotOffset以及DL-PRS-ResourceSymbolOffset为对应TRP所配置的相对资源集合的SFN时隙0的时隙偏置和符号偏置，也就是资源集合中第一个下行PRS资源的时隙和符号索引。另一类为基于DL PRS资源的，为该DL PRS资源相对于DL PRS资源集所在时隙和起始符号的偏置，配置DLPRS-ResourceSlotOffset为DL PRS资源相对于DL-PRSResourceSetSlotOffset的起始时隙偏置，配置DL-PRSResourceSymbolOffset为DL PRS资源在起始时隙内的起始符号偏移。

DL PRS资源静默标识TRP不传输该PRS资源，静默的目的是降低多个TRP在相同的时频资源上发送的PRS之间的干扰。DL PRS采用位图的方式配置DL PRS资源集合的静默方式，支持以下两种方式：

图3 DL PRS资源分配

1）第一种方式是位图中的每个比特对应DL PRS资源集合中配置的连续发送时刻，位图指示的要静默的一个DL PRS资源集合内的所有DL PRS资源都是静默的。

2）第二种方式是位图中的每个比特对应DL PRS资源的单个重复索引。

基站可以配置终端一种指示方式或者两种指示方式，如果配置了两种指示方式，将两种指示方式的位图进行逻辑与操作，也就是只有两种方式都没有静默的DL PRS资源集才能正常发送。

3 上行定位参考信号

3GPP Rel-16增强上行探测信号SRS（Sounding Reference Signal），实现上行定位功能。定位功能需要服务基站和邻基站均接收到UE发送的SRS，并且为了提升定位性能，相比NR Rel-15 SRS信号，定位 SRS信号具有以下特点：

（1）定位SRS资源可以配置更多的OFDM符号，利于提升SRS定位信号的覆盖范围及邻基站的接收质量。

（2）为了减少不同UE发送的定位SRS信号间碰撞及上行干扰，定位SRS的序列标识数量比NR SRS的序列标识增加了64倍。

（3）定位SRS信号的频域梳状配置可以配成8，定位SRS信号可以借用不包含定位信号的功率，获得功率谱密度提升，以提升SRS定位信号的接收SINR。

（4）SRS定位信号采用了交错图案的设计，以便降低序列检测时相关运算所产生的旁瓣值。

定位SRS资源的发送周期和时隙偏置与Rel-15的SRS一致，定位SRS资源所支持的OFDM符号数量是连续可配置的，配置数值为｛1,2,4,8,12｝，时域起始位置可以是时隙中的任意位置。SRS的梳状大小扩展到集合｛2,4,8｝，当配置梳状大小为8的时候，循环移位数量为6。

定位SRS资源集合中最多有16个SRS资源，每个带宽部分（BWP）最多可以配置16个定位资源集合，终端所能支持的定位SRS资源集合的最大数量取决于终端能力。

采用一个端口的SRS用于定位，定位SRS不支持频域跳变。SRS资源的资源粒子图样是交错的，不同符号采用不同的RE偏置，对于一组包含梳状大小和SRS符号的参数，有唯一的资源粒子图样。定位SRS还支持半静态和非周期发送，其中半静态定位SRS通过MAC CE激活/去激活，终端在服务小区和邻区接收SRS用于定位，非周期定位SRS重用Rel-15的下行控制信令触发发送。

4 NR定位测量和相关流程

终端测量PRS，获得下行定位测量参量，包括DL RSTD、终端收发时间差和DL PRS-RSRP测量，终端将这些测量参量上报给基站，实现定位，具体定义如下：

（1）下行参考信号时间差（DL RSTD）定义为定位基站和参考定位基站之间的相对时间差。

（2）终端收发时间差定义为终端从定位基站接收下行子帧（第一个检测路径）的时间与最接近该时间的终端发送上行子帧的时间差。

（3）下行PRS参考信号接收功率（DL PRSRSRP）定义为在测量频率带宽内测量DL PRS RE的线性平均功率。

基站测量上行定位SRS信号，获得上行定位测量，包括UL RTOA、基站收发时间差、UL AoA和UL SRS RSRP测量，具体定义如下：

（1）上行相对到达时间（UL RTOA）是相对配置的参考时间，定位基站接收到的包含SRS起始子帧的时间。

（2）基站收发时间差定义为终端关联的接收包含SRS的上行子帧（第一个检测路径）的时间与最接近该时间的定位基站下行子帧的时间差。

（3）上行到达角（UL AoA）定义为终端相对参考方向估计的水平和垂直角度。

（4）上行SRS接收功率（UL SRS-RSRP) 定义为SRS RE的线性平均功率值，在测量时刻所配置的SRS RE上测量。

基站和终端测量的精度相同，具体精度通过定义测量的不确定性数值，以及该数值域的精度等级来描述。角度测量的上报精度为0.1度，时间测量上报的精度定义为T=Tc2k，这里k是一个可配置参数。

5 5G定位和其它定位技术的融合

5G定位技术将为垂直行业和物联网应用提供位置服务能力，相比于基于全球导航卫星系统只能用于室外开阔场景，5G定位能很好地解决室内，如产线、仓储等场景的高精度定位需求。北斗卫星导航系统与地基增强系统所构建的高精度定位能力可覆盖较广的区域，提供米级定位精度，于手机定位和车联网中应用。但卫星导航系统存在着因局域遮挡而导致的局部定位盲点区域，可以与规模部署的5G网络互相补充，提供广范围定位能力。

此外，超宽带（UWB）定位技术是新兴的室内定位应用技术。UWB信号占用几百兆频谱，使用纳秒级的非正弦窄脉冲传输信息，发射信号功率谱密度低，该技术对信道衰落不敏感，难以截获，定位精度达到10厘米级，目前已应用于智能工厂、智慧城市等场景，并有5G+UWB的方案，解决工业应用的通信、定位和融合应用问题。相比于5G定位能力，UWB的覆盖距离短，信号容易被遮挡。

6 5G定位的发展趋势

5G业务尤其是垂直行业对定位精度要求很高，例如在工厂车间快速地找到组装零件等移动物体，类似的需求也存在于运输物流行业。除此以外，新兴的自主应用（例如自动驾驶）也很大程度上依赖于高精度定位，因此除了要提高定位精度以外，还需要提高定位完整和可靠性，完整性是衡量导航系统提供的信息是否正确的信任程度，包括系统在发生故障时向用户接收器及时发出警告的能力，而可靠性包括确定位置相关数据的可靠性以及不确定性或置信度的需求。

为了满足新应用和垂直行业带来的更高精度需求，3GPP Rel-17设立了高精度定位项目[4-5]，对于通用的商业应用，实现1米的定位精度；对于垂直应用实现0.2米的定位精度；同时提供定位完整性保护，完整性用于衡量导航系统提供信息正确与否的信任程度。R17具体标准化方向包含提升定位精度、降低定位时延、降低定位终端功耗等。

（1）定位精度增强技术：通过优化差分定位等算法降低终端和基站收发的时延，修正多径信号，提高上行到达角的和下行离开角的测量精度，将定位精度从米级提升到亚米级。

（2）降低定位时延技术：一方面定义按需发送的定位导频信号，另一方面进一步降低定位测量的请求回应时间、终端测量时间及测量gap时间，将定位时延从秒级降低到毫秒级。

（3）降低功耗技术:支持RRC非激活状态下终端的定位测量、信令和流程，降低功耗，提升定位终端电池续航能力。

此外，定位技术作为一类感知技术，是支撑未来通信感知融合的基础技术。通感场景的定位需求包括了通信设备定位以及非通信设备定位，如商场货物的定位识别等。面向通感场景定位需求，定位技术对于非通信设备定位还需要新的增强设计，以及需要与通感一体化的相关设计（如波形设计和帧结构设计等）相应的结合设计。定位技术在实际应用中将与场景多样化的定位感知需求和通信需求相结合，通过定位参考信号和通信数据相结合的资源管理、多节点协作等方式满足通感场景性能需求。

7 结论

5G系统实现亚米级高精度定位性能，为垂直行业应用，特别是室内垂直行业应用提供位置服务保障。此外，业界正在广泛探讨通信感知融合技术，在进行信息传递的同时，实现感知的功能，目标是实现整体性能和业务能力的提升。其中感知是指分析无线电波的直射、反射、散射信号，获得对目标对象或环境信息（属性和状态等）的感知，完成定位、测距、测速、成像、检测、识别、环境重构等功能，实现对物理世界的探索。定位作为一类感知能力，为后续通信网融合感知能力提供技术和框架设计参考。