基于OTDOA的5G定位性能综合分析

张建国，徐 恩，周鹏云，韩春娜（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 3005；.诺基亚通信系统技术（北京）有限公司浙江分公司，浙江杭州 30053）

0 引言

无线定位技术分为4类，分别是卫星定位、蜂窝网定位、无线局域网定位以及其他定位技术，其他定位技术包括气压计定位、可见光定位、视觉定位、红外定位等。目前应用最为广泛的是全球定位导航系统（GNSS——Global Navigation Satellite System），其定位精度是10～30 m，通过GNSS 和蜂窝网相结合的辅助GNSS（A-GNSS——Assisted GNSS）定位，如RTK（Real-Time Kinematic）载波相位差分技术，定位精度最高可达厘米级。GNSS定位适合于开阔的室外场景，在城区峡谷和室内场景，GNSS 信号面临着多径和NLOS传播、严重的衰减等问题，导致GNSS 定位精度急剧下降甚至无法使用，对于以上场景，适合使用蜂窝网定位技术［1-2］。

由于蜂窝网的覆盖范围较广，不需要移动终端硬件上的升级，在室内也能完成定位，所以基于蜂窝网的定位技术是目前较常用的定位技术。蜂窝网定位的原理是利用现有的蜂窝网络，通过测量信号的某些特征值来完成定位，根据定位技术所采用的测量值，可以将基于蜂窝网的定位技术分为基于增强小区ID（E-CID）定位、观察到达时间差（OTDOA）定位、上行到达时间差（UTDOA）定位、到达角度（AOA）定位以及混合定位［1］。本文接下来主要分析基于下行定位参考信号（PRS）的OTDOA定位。

1 5G定位服务的性能需求

5G 定位服务的性能需求包括水平和垂直精度、速度精度、定位服务可用性、定位服务时延、首次定位时间等。其中，水平和垂直精度描述的是需要定位的UE的测量位置相对于它的实际位置的精度，是最重要的评估标准，通常使用概率门限作为评估标准，如表1所示，定位速度精度要求在99%服务区内，对于速度的定位优于0.5 m/s，对于三维方向移动的定位优于5°；定位服务时延指的是无线层的时延，不是端到端的时延；首次定位时间要求小于30 s，某些特殊用例要求小于10 s［3］。

表1 5G定位服务的性能需求

服务等级1是广域定位，其需要的定位精度最低，主要用于物流管理、废物管理和收集、紧急呼叫、医院外的患者和急救设备定位、资产跟踪和管理等领域，其中废物管理和收集、资产跟踪和管理要求UE 具有极低的功耗，假设每小时更新多次位置，1 800 mWh的电池可以使用12年以上。

服务等级2～4 是高精度定位，主要应用于人员跟踪、机器控制和交通等领域。服务等级2 应用于共享单车、可穿戴设备、广告推送、医院内的人员和医疗设备定位；服务等级3 应用于交通流量监控、管理和控制，车辆收费等领域；服务等级4应用于工厂内的无人搬运车定位。

服务等级5～6 是超高精度定位，主要应用于自动驾驶、工业控制等领域，服务等级5适合于进行数据分析，服务等级6适合于高服务可用性、低时延需求的远程控制。

服务等级7是相对定位，适合于无人机集群定位，只有当2 个UE 或UE 和5G 定位节点的距离在10 m 以内时，相对位置的定位精度才有可能达到0.2 m 以下［4］。

需要说明的是，单独依赖5G定位技术不能完全满足表1 的性能需求，5G 定位技术应与其他定位技术结合起来使用，才有可能完全满足表1的性能需求。

2 PRS的结构和配置原则

2.1 PRS的结构

OTDOA定位是基于UE测量服务小区和相邻小区的参考信号到达UE 的时间差，也称为参考信号时间差（RTSD——Reference Signal Time Difference），由于测量量是时间差而非绝对时间，不必满足基站与UE之间必须时间同步的要求。为实现OTDOA 定位尽可能多地探测相邻小区的信号，UE需要以较高的概率检测到至少4个基站的信号［1］。

理论上，任何下行参考信号，如PSS、SSS、CSI-RS，都可以获得RSTD 测量值因而支持OTDOA 定位，但是这些下行参考信号设计和实施的目的是用于数据通信，因此相邻小区的信号通常较弱而不能被探测，这就导致UE 检测不到足够数量相邻小区的下行参考信号，因此，为了提高UE 检测到相邻小区的概率，满足OTDOA 所需RSTD 测量量的要求，3GPP Rel-16 定义了PRS以提高OTDOA的定位精度［5］。

图1 1个时隙内的PRS结构

2.2 PRS参数的配置原则

根据式（1），可以计算出，对于不同的子载波间隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）和PRS 的定位范围如表2 所示。其次的配置还需要考虑UE 的信道带宽、小区密度等因素。越小，频域上的PRS密度越大，即使较小的带宽也能达到较高的定位精度，因此较小的适合于带宽受限场景，如低带宽的物联网设备。越大，可复用的PRS信号数量越多，如时，在频域上可以最多复用6 个PRS，图1（b）给出了复用3 个PRS 信号的情形，因此较大的减少了PRS 冲突的概率，适合于高密度小区，UE 可以通过检测更多的小区以提高定位精度；另外，较大的还可以通过功率提升来改善SNR，进而提高定位精度，如时，PRS 提升功率分别为6 dB、7.8 dB、10.8 dB［10］。过大的也存在占用的带宽较大、易受多普勒频移影响、较长的扫描时间增加了由于UE移动和时钟漂移引入的误差等缺点。另外，对于以下2 个场景，在配置的时候需要特别注意。室内场景具有低多普勒频移、低传播时延、低时延扩展的特点，可以配置得大一些，如配置为12.。对于UE高速移动场景，一方面，高速移动UE的位置随着时隙变化而变化，UE 需要同时检测更多小区的PRS，配置较大的比较合适；另一方面，高速移动的UE 多普勒频移较大，配置较小的比较合适，建议对于UE高速移动场景，配置为4或6比较合适。

表2 PRS的定位范围（单位：m）

c）LPRS的配置原则。LPRS是1 个时隙内的PRS 符号数，取值为2、4、6、12。LPRS的配置与和PRS 开销等有关系。如果1个时隙内的LPRS小于则在频域的某些子载波上会一直没有PRS，PRS 自相关后产生较大的侧峰（side peak），进而影响定位精度和定位范围。本文建议LPRS等于或者LPRS是的整数倍，其好处是相干合成后的自相关值只有一个主峰，而没有侧峰，因此会提高定位精度，其缺点就是PRS占用的OFDM符号较多，开销较大［11］。

3 OTDOA定位性能分析

3.1 OTDOA距离估计的CRLB分析

基于传播时间的定位方法，如TOA 和OTDOA，需要对来自不同基站的信号进行精确的估计，OTDOA 的估计偏差直接决定了定位精度，OTDOA 的估计偏差越大，则定位误差越大，OTDOA 估计偏差的一种评价方法是克拉美-罗下界（CRLB——Cramer-Rao lower bound）。

CRLB 是在给定的SNR 下，任何无偏估计器能够达到的精度的下界，无偏估计的方差只能无限制的逼近CRLB，而不会小于CRLB。假设信道条件是AWGN信道，不考虑网络的同步误差、多径和NLOS 传播导致的测量误差，PRS 信号的OTDOA 方差VAR()τ的CRLB

如式（2）所示［12］：

在式（2）中，Δf是子载波间隔，Nsymb是PRS 总的OFDM 符号数，N是PRS 带宽内的子载波数，如果在RE(k,l)上没有PRS，则|ak,l|=0，如果在RE(k,l)上有PRS，则|ak,l|=1。

根据式（2），可以发现，OTDOA 的方差VAR()τ依赖于SNR、子载波间隔、PRS 带宽以及PRS 符号数LPRS和重复因子这几个参数的值越大，OTDOA 的方差VAR(τ)越小，相应的距离估计精度就越高。

OTDOA距离估计的标准差d(σ)如式（3）所示［2］。

表3 OTDOA距离估计的CLRB（单位：m）

从表3 可以发现，随着SNR 和带宽的增加，OTDOA 距离估计的CLRB 迅速变小，在SNR=10 dB 的条件下，当=24、SCS=15 kHz（5 MHz带宽）SCS=15 kHz（50 MHz 带 宽），、SCS=30 kHz（100 MHz 带宽），、SCS=120 kHz（400 MHz 带宽）时，OTDOA 距离估计的CLRB 分别是0.505 m，0.013 m，0.007 m和0.002 m。

3.2 OTDOA距离估计的结果分析

文献［13］给出了不同厂家提交的OTDOA 距离估计的评估结果。本文只列出华为的评估结果作为参考（见表4）。其中，室内开放办公室（IOO——Indoor Open Office）、UMi 和UMa 分别对应着室内开放办公室场景、城区街道峡谷场景（站间距是200 m）、宏基站场景（站间距是500 m）；67%、90%表示的是圆概率误差。

表4 OTDOA距离估计的评估结果（单位：m）

从表4 可以发现，OTDOA 的定位精度比表3 计算的CLRB要低至少2个数量级，主要有以下2点原因。

a）信号传播误差：采用GNSS 定位，通常认为GNSS 信号是视距（LOS——Line Of Sight）传播，而PRS信号则通常要经历多径和NLOS 传播，NLOS 传播会给UE和基站之间的定时测量带来偏差，这个偏差对定位性能有显著的影响；多径传播也会限制定位性能，其严重程度由多径信号的相对幅度、相位和延迟三者共同决定；此外，蜂窝网中的严重干扰可能影响到PRS的正常获取。

b）基站侧误差：网络同步误差会对定位性能造成影响，根据3GPP 协议，宏基站、中距基站、局域基站的频率误差分别是±0.05 ppm、±0.1 ppm、±0.1 ppm［14］，即网络同步误差分别是±50 ns、±100 ns、±100 ms，对应的距离不确定性分别是15 m、30 m和30 m，远远高于3 m精度的定位需求，为了达到低于3 m 的距离不确定性，NR 基站的定时误差应小于±10 ns；此外，基站位置误差会直接带入定位算法中，对于用于定位目的的基站，应采用大地测量仪或高精度的GPS接收机，尽量使位置误差限制在米级或以下［1］。

从表4 还可以得出以下结论：在不考虑网络同步误差的情况下，单独依靠OTDOA 定位可以满足表1 的少部分定位服务需求，在考虑网络同步误差的情况下，单独依靠OTDOA 不能满足表1 的定位服务需求。为了满足表1的定位精度需求，一方面，可以通过提高SNR、采用更大的SCS、更大的PRS带宽更长的符号数LPRS和更大的重复因子以提高OTDOA 的定位精度，其中提高SNR 的方法包括增加基站功率、功率提升、提高UE的接收机灵敏度、采用Massive-MIMO天线增加赋形增益等措施；另一方面，OTDOA 定位技术应该与GNSS、TBS（Terrestrial Beacon System）、传感器、基于WLAN/蓝牙等定位技术联合起来使用，进一步提高定位精度、服务可靠性、服务时延等，以满足表1的定位服务需求［3］。

4 结束语

除了利用专门的PRS 进行定位外，也可以利用属于CSI-RS 的跟踪参考信号（TRS——Tracking Reference Signal）进行定位，由于TRS 是用于通信目的，为了定位目的而增加的开销远远小于PRS，且其定位精度与PRS 相比，只是有少量的下降，因此，对于定位精度要求不高的场景，也可以使用TRS进行定位，而基于PRS的定位使用在对定位精度和定位时延要求较高的场景［15］。总之，5G信号具有大带宽、高SNR的优势，其提供的定位精度高于传统的无线网络，5G 网络定位技术在未来具有广阔的应用空间。