如何提高室內(nèi)定位精度并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位的連續(xù)無(wú)縫覆蓋是定位領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題，首先介紹了4G定位的標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)，并分析了其特點(diǎn)與不足。然后，分析了面向5G的超密集組網(wǎng)下的定位技術(shù)，AOA、TDOA定位技術(shù)以及上下行定位技術(shù)。最后，指出定位一體化和融合化是未來(lái)5G定位發(fā)展的趨勢(shì)，進(jìn)而提出了一種面向5G的異構(gòu)融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1引言

目前，基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用。然而，由于建筑物等對(duì)衛(wèi)星定位信號(hào)的遮擋，導(dǎo)致室內(nèi)定位精度無(wú)法滿足其高精度定位要求［1］。當(dāng)前以室內(nèi)定位為主要訴求點(diǎn)的定位技術(shù)，往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點(diǎn)［2-3］。如何提高室內(nèi)定位精度并實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外定位的連續(xù)無(wú)縫覆蓋是定位領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，本文首先介紹了面向4G和5G的定位技術(shù)，然后分析了5G高精度定位的技術(shù)特點(diǎn);最后提出了一種面向5G的異構(gòu)融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。主要從兩個(gè)方面來(lái)解決5G網(wǎng)絡(luò)高精度定位的問(wèn)題：一是基于5G技術(shù)特點(diǎn)提升面向5G的基礎(chǔ)定位精度，使其能夠滿足較大區(qū)域的高精度定位及覆蓋需求;二是融合各種異構(gòu)定位技術(shù)（如Wi-Fi，TBS（Terrestrial Beacon System，地面定位系統(tǒng)）、帶內(nèi)定位以及共頻帶定位等）。本文提出的定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要特點(diǎn)，一是異構(gòu)，即定位系統(tǒng)包含多種不同的定位技術(shù)，因?yàn)楝F(xiàn)有的任何某單一定位技術(shù)都無(wú)法同時(shí)滿足室內(nèi)外覆蓋范圍與定位精度的需求［4］;二是智能融合，即該定位系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單地對(duì)各種定位技術(shù)的疊加，而是智能地融合，包含融合信號(hào)測(cè)量、融合位置估計(jì)算法、融合定位決策與反饋等多個(gè)層次的融合;三是一體化，即在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)與定位網(wǎng)的一體化，這需要在通信網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的定位網(wǎng)元和定位管理網(wǎng)元以及高精度同步網(wǎng)元，一體化可以充分利用現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)覆蓋范圍大、設(shè)備兼容性高等特點(diǎn)。

2面向4G的定位技術(shù)

2.1 4G系統(tǒng)定位標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)支持定時(shí)提前量定位、增強(qiáng)觀察時(shí)間差定位、上行到達(dá)時(shí)間差定位，但定位精度無(wú)法滿足室內(nèi)定位需求［5］。因此，自2016年起，3GPP在R13、R14版本持續(xù)開(kāi)展針對(duì)3G和4G室內(nèi)定位技術(shù)增強(qiáng)的研究，增強(qiáng)了RAT（Radio Technology，無(wú)線電技術(shù)）定位方法，完善了非RAT的室內(nèi)定位方法等。在R14標(biāo)準(zhǔn)版本的定位增強(qiáng)技術(shù)包括以下幾方面：

（1）共享PCI（Physical Cell Identifier，物理小區(qū)標(biāo)識(shí)）場(chǎng)景下的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達(dá)時(shí)間差）增強(qiáng)。

R14中，終端能夠區(qū)分共享PCI場(chǎng)景下的不同傳輸節(jié)點(diǎn)，增加了終端側(cè)可進(jìn)行定位測(cè)量節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，從而提高了定位精確度。

（2）基于定位參考信號(hào)的信標(biāo)

R14引入了只傳輸定位參考信號(hào)的傳輸節(jié)點(diǎn)，該特性使得終端能夠識(shí)別額外的定位參考信號(hào)，從而提高了定位精確度。

（3）定位參考信號(hào)結(jié)合CRS（Cell Reference Signal，小區(qū)參考信號(hào)）進(jìn)行測(cè)量

終端能夠結(jié)合定位參考信號(hào)和小區(qū)參考信號(hào)，獲得RSTD（Reference Signal Time Difference，參考信號(hào)時(shí)間差測(cè)量），從而改善OTDOA精確度。

（4）多徑下的TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）

R14中，終端可以將多條路徑下的TOA上報(bào)給網(wǎng)絡(luò)側(cè)，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以利用該信息，補(bǔ)償由于多徑衰落導(dǎo)致的測(cè)量誤差，從而提高了定位精確度。

2.2面向4G定位的特點(diǎn)與不足

R14定位增強(qiáng)技術(shù)中，對(duì)定位至關(guān)重要的同步技術(shù)沒(méi)有深入研究和標(biāo)準(zhǔn)化，定位性能評(píng)估仍然采用通信的方法，因此4G定位精度仍然沒(méi)有得到明顯的提高。而且，目前4G的定位主要還是基于單一的定位技術(shù)，架構(gòu)層面缺乏多種定位技術(shù)間有機(jī)的和深層次的融合，缺乏一種能夠?qū)⒍喾N定位技術(shù)融合在一起的、全面的、系統(tǒng)的、層次化的融合定位技術(shù)架構(gòu)。

3面向5G的定位技術(shù)

針對(duì)目前面向4G移動(dòng)通信網(wǎng)定位技術(shù)的不足，我們接下來(lái)將首先分析面向5G定位的主要技術(shù)，并指出定位一體化和融合化是未來(lái)5G定位發(fā)展的趨勢(shì)，然后提出了一種面向5G的異構(gòu)融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3.1面向5G定位的主要技術(shù)

（1）超密集組網(wǎng)下的定位技術(shù)

5G超密集組網(wǎng)為高精度室內(nèi)定位提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)［6］，但仍需解決每個(gè)射頻單元的可分辨性問(wèn)題。針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景，目前每個(gè)RRH（Remote Radio Head，遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元）只是復(fù)制發(fā)送基站的基帶信息。因此終端不能區(qū)分是從哪個(gè)遠(yuǎn)端無(wú)線射頻單元發(fā)來(lái)的定位信號(hào)，定位技術(shù)無(wú)法充分利用密集組網(wǎng)的覆蓋優(yōu)勢(shì)。因此，如圖1所示，需要在5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的每個(gè)射頻單元都分配獨(dú)立的PRS ID，實(shí)現(xiàn)定位信號(hào)的可分辨性。

（2）面向5G的TDOA和AOA定位技術(shù)

在諸多室內(nèi)定位增強(qiáng)技術(shù)中，TDOA（Time Difference of Arrival，信號(hào)到達(dá)時(shí)間差）和AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角度測(cè)距）是兩種基礎(chǔ)的無(wú)線定位技術(shù)。從理論上分析，一方面，5G采用高頻或者毫米波通信，毫米波通信具有非常好的方向性，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)距和測(cè)角;另外一方面，5G采用大規(guī)模天線技術(shù)，具有更高分辨率的波束，也可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)距和測(cè)角特性［7］。因此，基于AOA的定位方法將比4G具有更高的精度。此外，由于5G采用了低時(shí)延、高精度同步等技術(shù)，對(duì)提升TDOA定位精度也有幫助。下面分別從誤差模型出發(fā)，分析在5G技術(shù)下TDOA和AOA兩種基礎(chǔ)定位方法的特性。

通過(guò)分析TDOA和AOA兩種定位技術(shù)的特點(diǎn)，可在5G定位中，根據(jù)不同的場(chǎng)景，選擇最合適的定位技術(shù)，提高綜合定位精度。

（3）面向5G網(wǎng)絡(luò)上行定位和下行定位

上行定位和下行定位是4G系統(tǒng)的兩個(gè)基本定位方式，而且上行定位曾一度被行業(yè)看好是解決室內(nèi)定位的主要解決方案。上行定位的主要原理是終端發(fā)射定位信號(hào)，基站進(jìn)行檢測(cè)定位;下行定位的主要原理是基站發(fā)射定位信號(hào)，終端進(jìn)行檢測(cè)定位。兩者在5G網(wǎng)絡(luò)下的特點(diǎn)如表2所示。

從表2可以看出，下行定位能夠充分發(fā)揮出5G系統(tǒng)的大帶寬、低時(shí)延、大規(guī)模天線陣列等特點(diǎn)。基站的發(fā)射功率比終端大上千倍，借用Massive MIMO的優(yōu)勢(shì)，大大提高定位的覆蓋距離，降低定位系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)密度的要求。

3.2面向5G定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

要提供高精度的室內(nèi)外一體化定位服務(wù)，除了利用5G技術(shù)提升基礎(chǔ)定位技術(shù)的定位精度外，另外重要的一方面就是需要以5G通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，充分利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的管道和平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，融合各種不同異構(gòu)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信和定位一體化。下面分別從一體化和融合的角度闡述面向5G的定位網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

（1）一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示，架構(gòu)在通信網(wǎng)頻帶內(nèi)，一體化同時(shí)支持通信網(wǎng)和定位網(wǎng)，具體來(lái)說(shuō)架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1）支持高精度同步網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槟壳皹?biāo)準(zhǔn)基站之間接口無(wú)法支持高精度同步，應(yīng)此必須增加高精度同步網(wǎng)絡(luò)單元;

2）實(shí)現(xiàn)了通信網(wǎng)和定位網(wǎng)一體化的目標(biāo)，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的定位網(wǎng)元和定位管理網(wǎng)元;

3）定位網(wǎng)元可以和基站共站，支持常規(guī)的一體化的通信和定位覆蓋;

4）定位設(shè)備也可以以獨(dú)立定位設(shè)備形態(tài)存在，支持獨(dú)立的定位增強(qiáng)覆蓋網(wǎng)絡(luò);

5）可以支持異構(gòu)定位網(wǎng)，包括帶內(nèi)定位網(wǎng)、共頻帶定位技術(shù)、TBS、Wi-Fi等;

6）各種定位網(wǎng)絡(luò)支持接入5G網(wǎng)絡(luò)，在終端或者定位服務(wù)器中進(jìn)行融合定位。

（2）融合技術(shù)架構(gòu)

異構(gòu)融合定位系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單地對(duì)各種定位網(wǎng)絡(luò)疊加，需要研究各種定位技術(shù)的智能融合技術(shù)，綜合實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的定位性能［9］。如圖3所示，智能異構(gòu)融合定位技術(shù)架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

1）異構(gòu)一體化融合定位架構(gòu)：在架構(gòu)層面建立了異構(gòu)一體化融合的機(jī)制，通過(guò)多種有機(jī)融合機(jī)制，綜合輸出最優(yōu)的定位結(jié)果。

2）多層次融合：支持多種基本室內(nèi)外定位技術(shù)以及補(bǔ)充定位技術(shù)融合;在融合手段上，支持基本定位技術(shù)結(jié)果融合、各種定位技術(shù)測(cè)試量的混合算法、預(yù)測(cè)融合等多個(gè)層面的機(jī)制以及定位決策與反饋。

3）反饋式融合定位決策機(jī)制：融合定位架構(gòu)包含了實(shí)際位置結(jié)果估計(jì)和預(yù)測(cè)擬合結(jié)果之間反饋決策機(jī)制，充分利用空間、預(yù)測(cè)等智能分析方法，減少異常定位結(jié)果，提高定位的可靠性和穩(wěn)定性。

4結(jié)束語(yǔ)

智能化社會(huì)發(fā)展急需構(gòu)建低成本、高精度的廣域室內(nèi)外定位服務(wù)系統(tǒng)。以超密集組網(wǎng)、超低時(shí)延、大規(guī)模陣列天線等技術(shù)為代表的5G通信技術(shù)為解決這一問(wèn)題提供了新的基礎(chǔ)。本文分析了4G/5G定位的關(guān)鍵技術(shù)，充分利用移動(dòng)通信網(wǎng)的管道和平臺(tái)優(yōu)勢(shì)以及5G技術(shù)特點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了一種面向5G的異構(gòu)融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為同時(shí)解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問(wèn)題提供了一種解決思路。