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5G將諸多新技術(shù)交織為一體并造就了無線通信的巨大飛躍。從現(xiàn)在到2020年初，隨著5G設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的不斷涌現(xiàn)和持續(xù)擴(kuò)大，蜂窩聯(lián)網(wǎng)將改變今天的智能電話體驗(yàn)，為每一個(gè)行業(yè)開創(chuàng)全新的用例，例如汽車、智能工廠和遠(yuǎn)程醫(yī)療等。

位置和定位技術(shù)是5G涉及的最有意思的領(lǐng)域。從汽車到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制的各類全新用例正在推動(dòng)定位信息在精度、速度和可用性方面的巨大改進(jìn)。5G不僅增強(qiáng)了A-GNSS和OTDOA等現(xiàn)有的4G定位技術(shù)，還引入了一些全新技術(shù)，如使用波束塑型信息確定垂直位置等。

當(dāng)然，為了確保全新的5G設(shè)備和服務(wù)所具備的性能，對(duì)此類新型5G技術(shù)執(zhí)行必要的測(cè)試至關(guān)重要。此外，在近期對(duì)5G設(shè)備中的4G定位性能進(jìn)行測(cè)試同樣也非常有意義。推動(dòng)這一測(cè)試需求的因素有兩方面：

在深入討論這些主題和5G細(xì)節(jié)之前，我們將對(duì)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的定位技術(shù)加以簡(jiǎn)述。

如果您問智能手機(jī)用戶的iPhone或Android設(shè)備執(zhí)行精確導(dǎo)航的秘訣是什么，多數(shù)人很可能回答“全靠GPS”。盡管衛(wèi)星定位確實(shí)是構(gòu)成蜂窩定位技術(shù)的基礎(chǔ)，但僅憑GPS并不能滿足最重要的蜂窩電話位置要求：在緊急呼叫中快速和精確地確定呼叫者的位置。因此輔助GNSS（A-GNSS）便應(yīng)運(yùn)而生。

GNSS為全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，服務(wù)遍及全球的GNSS系統(tǒng)包括北美的全球?qū)Ш较到y(tǒng)（GPS）、俄羅斯的GLONASS、中國(guó)的北斗、歐盟的Galileo，以及印度、法國(guó)和日本的其它幾個(gè)區(qū)域性系統(tǒng)。

當(dāng)手機(jī)發(fā)出緊急呼叫時(shí)，手機(jī)可能需要用數(shù)分鐘的時(shí)間才能發(fā)現(xiàn)適當(dāng)GNSS衛(wèi)星的信號(hào)，并且接收到數(shù)量足夠的定位信息（即所謂的星歷），并以此計(jì)算出自己所在的位置。因此，這種啟動(dòng)時(shí)間，即所謂的初次定位時(shí)間（TTFF），就成為緊急情況下的一項(xiàng)關(guān)鍵性能參數(shù)。

為幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)更快的TTFF，蜂窩網(wǎng)絡(luò)伸出了援手。利用A-GNSS技術(shù)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以利用已知的用戶位置（例如用戶當(dāng)前連接的基站位置），查找實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的即時(shí)衛(wèi)星位置，并且發(fā)送應(yīng)監(jiān)聽衛(wèi)星的手機(jī)信息。這種“輔助數(shù)據(jù)”可以將首次定位時(shí)間（TTFF）縮短至幾秒，而無需數(shù)分鐘的時(shí)間。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)還有其它幾種招數(shù)可以利用，即便在衛(wèi)星信號(hào)較弱或無服務(wù)的情況下也能確定位置。

從3GPP Release 9開始，LTE提供了增強(qiáng)蜂窩ID（ECID）和OTDOA。在ECID中，移動(dòng)設(shè)備會(huì)測(cè)量信號(hào)往返基站的時(shí)間，以及所見的鄰近基站功率水平。設(shè)備會(huì)將這些信號(hào)報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)則會(huì)利用這些數(shù)據(jù)來確定設(shè)備的位置。在OTDOA中，設(shè)備會(huì)以類似的方式測(cè)量信號(hào)計(jì)時(shí)，但這里測(cè)量的是多個(gè)鄰近基站的到達(dá)時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)則會(huì)利用這一計(jì)時(shí)信息對(duì)設(shè)備進(jìn)行三角定位。

Wi-Fi經(jīng)過擴(kuò)展后也可以充當(dāng)有效的室內(nèi)位置技術(shù)，而且已經(jīng)成為一些美國(guó)主要運(yùn)營(yíng)商滿足美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）要求時(shí)所采用的強(qiáng)制性技術(shù)。公有和私有Wi-Fi接入點(diǎn)（AP）的普及可以讓多種設(shè)備具備控制定位信息的能力。此外，多數(shù)新設(shè)備都具備Wi-Fi能力，使之成為一種廉價(jià)且可快速推向市場(chǎng)的技術(shù)，為基于位置的服務(wù)提供有益的輔助。

雖然聽起來很酷，但基于GNSS和LTE的混合技術(shù)已經(jīng)不足以滿足日益高漲的位置需求和法規(guī)要求。在接下來的內(nèi)容中，我們將探討5G和多種其它技術(shù)如何在未來幾年中逐步填補(bǔ)這一空白。那么，我們將面臨哪些新的要求呢？

法規(guī)方面的驅(qū)動(dòng)因素

在移動(dòng)位置精度方面，最有影響力的驅(qū)動(dòng)因素可能就是美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）制訂的移動(dòng)緊急呼叫（E911）法規(guī)要求。其它的主體也照搬了聯(lián)邦通信委員會(huì)的要求，例如歐盟的E112和汽車領(lǐng)域的eCall法規(guī)。在世界范圍內(nèi)，整個(gè)行業(yè)也都從滿足FCC強(qiáng)制性法規(guī)要求的全球手機(jī)產(chǎn)品中受益匪淺。

近二十年來，F(xiàn)CC一直在努力推動(dòng)更高的位置精度。1995年定義的E911第一階段只要求提供呼叫者的電話號(hào)碼和蜂窩塔ID。而到本世紀(jì)初時(shí)，要求提高到了在六分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)300米的精度。隨著我們的生活與無線連接關(guān)聯(lián)越來越密切，依賴程度也越來越高，F(xiàn)CC還在不斷推進(jìn)安全要求的進(jìn)一步發(fā)展。2017年，F(xiàn)CC要求運(yùn)營(yíng)商必須將所顯示的移動(dòng)E911呼叫至少40%達(dá)到50米以內(nèi)的精度。

到2021年中期，運(yùn)營(yíng)商將必須讓所有室外和室內(nèi)移動(dòng)緊急呼叫中的80%達(dá)到50米內(nèi)的精度。

商業(yè)方面的驅(qū)動(dòng)因素

位置精度和任意地點(diǎn)可用性的第二項(xiàng)巨大驅(qū)動(dòng)因素就是經(jīng)濟(jì)。隨著無線技術(shù)在過去幾十年中的爆炸性增長(zhǎng)，新型應(yīng)用的機(jī)遇也是層出不窮。今天的定位要求已經(jīng)包含無數(shù)種新型和構(gòu)想的人機(jī)和機(jī)器間使用案例。這其中就包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、健身、可穿戴設(shè)備、基于位置的實(shí)時(shí)廣告、包裹追蹤、資產(chǎn)追蹤、工廠車輛、共享自行車，等等。

3GPP正在開發(fā)不同用例上的精度、時(shí)延和可用性要求，目的是協(xié)助為5G無線技術(shù)開發(fā)提供指導(dǎo)。盡管許多用例和要求還在考慮之中，但有幾個(gè)大致方向的位置要求已經(jīng)相當(dāng)明確。

4G LTE蜂窩、GNSS和混合定位技術(shù)都可以達(dá)到10至12米的精度范圍，而且其初次定位時(shí)間和更新時(shí)延也在數(shù)十秒的范圍內(nèi)。這些范圍都不足以滿足建筑物內(nèi)資產(chǎn)管理或無人機(jī)的定位需求。

為了超越目前的性能，并滿足精度和速度方面不斷演進(jìn)的嚴(yán)格需求，許多創(chuàng)新型技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)階段。

• 先進(jìn)的Wi-Fi技術(shù)（802.11mc）引入了精細(xì)時(shí)間測(cè)量（FTM），可測(cè)量接入點(diǎn)（AP）和設(shè)備之間的距離，且精度可達(dá)1至2米，而不僅僅是使用RSSI或Wi-Fi AP的物理位置。在多接入點(diǎn)FTM測(cè)量中，該技術(shù)還可執(zhí)行三角定位（類似于OTDOA），能夠獲得非常精確的位置。
  

• 終端設(shè)備能夠利用設(shè)備所載慣性、磁力和氣壓傳感器，為實(shí)現(xiàn)更高的位置精度做出貢獻(xiàn)。

• GNSS技術(shù)正在不斷改進(jìn)。美國(guó)的GPS系統(tǒng)已經(jīng)推出了L5波段，不僅可以提高精度還可加強(qiáng)信號(hào)的健壯性。L5等支持GNSS芯片組增強(qiáng)技術(shù)和同時(shí)掃瞄多個(gè)GNSS頻率的能力已經(jīng)成為蜂窩手機(jī)中的一項(xiàng)常見配置。

• 地面信標(biāo)系統(tǒng)使用蜂窩塔發(fā)射且可穿入室內(nèi)的無線電信號(hào)，創(chuàng)建出一個(gè)精確的三角定位網(wǎng)絡(luò)。人們目前正在探索將此類系統(tǒng)用于緊急呼叫、公共安全和其它多種應(yīng)用。
  

5G技術(shù)還可為我們提供多種全新的資產(chǎn)：

• 5G是一種寬帶技術(shù)，而且其更高的帶寬可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與gNodeB基站之間交換的更多定位信息（定位參考信號(hào)，縮寫為PRS）。
  

• 5G同時(shí)還引入了大規(guī)模MIMO和波束塑型技術(shù)的組合。在LTE中，基站在最好的情況下也只可能知道用戶所在的扇區(qū)（通常為120°水平范圍）。波束塑型切分基站可以發(fā)射出許多空間組成部分，而且只有幾度的范圍，因此就可以提供更高的位置精度。5G波束塑型天線不僅涵蓋水平范圍，它是一種二維天線組件陣列。這就使5G能夠查明用戶所占用的垂直波束，從而實(shí)現(xiàn)垂直z軸定位。

• 更高的頻率能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率更高的波束塑型。當(dāng)5G部署到毫米波頻率（28GHz和更高）時(shí)，“無線空間”將被切分為許多波束，且波束之間的夾角只有幾度，因此便能在水平和垂直空間上實(shí)現(xiàn)高得多的精度。

• 小蜂窩、微微蜂窩和毫微微蜂窩。毫米波頻率下的無線確實(shí)存在自身的問題：它的傳輸距離不會(huì)太遠(yuǎn)，而且很容易受到樹葉、雨滴、墻壁，甚至人的頭部和手部等阻礙物的阻擋。業(yè)界將通過密集化的方式來克服RF傳播的問題。通過每隔幾百米安裝一個(gè)小蜂窩，5G移動(dòng)設(shè)備將在視線多路徑無線上具備更好的訪問能力。同樣，蜂窩（包括微微蜂窩和毫微微蜂窩）和“分布式天線”（DAS）將安裝到各類公共和部分私有空間中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和地下的信號(hào)全覆蓋。室外密集化和室內(nèi)覆蓋的益處是位置精度得到了大幅提高，包括最初的室外環(huán)境，以及后來的室內(nèi)和地下環(huán)境。

• 協(xié)議升級(jí)也將發(fā)揮作用。為了處理所有這些定位數(shù)據(jù)的新來源，LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中所用到的主體協(xié)議將升級(jí)至未來的3GPP版本。
  

在3G和4G中，基站信號(hào)會(huì)覆蓋很大的范圍。而在（圖中所示的）5G波束塑型中，二維區(qū)域天線使每位用戶都能得到一個(gè)較窄波束的服務(wù)，且該波束只覆蓋一個(gè)特定的水平和垂直空間。

在未來的幾年中，今天的定位技術(shù)將分階段融合到5G增強(qiáng)特性中。

在第一階段，5G手機(jī)和設(shè)備將以獨(dú)占方式使用4G LTE定位技術(shù)。這一過程中既包括5G使用4G LTE核心來建立呼叫的非獨(dú)立（NSA）模式，也包括5G使用自有5G核心的獨(dú)立（SA）模式。

即使是在5G SA模式中，提供語(yǔ)音通信的設(shè)備仍將使用雙模式4G/5G調(diào)制解調(diào)器，并且會(huì)回退至4G狀態(tài)下來?yè)艽駿911和其它緊急呼叫服務(wù)。

在第二階段中，位置信息將在5G原生的用戶設(shè)備和基站之間實(shí)現(xiàn)交流。這一階段中還可能包含5G所實(shí)現(xiàn)的某些性能改進(jìn)。

在第三階段中，從新型5G資產(chǎn)（上面已經(jīng)提及的更高帶寬、波束塑型、更高頻率和密集化）獲得定位能力的增強(qiáng)特性將全面推出。

3GPP的5G 第15版、16版和后續(xù)版本對(duì)5G定位技術(shù)的演進(jìn)做出了規(guī)定

5G定位的所有這些“奇跡”都讓精確的性能測(cè)試變得必不可少。網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商和設(shè)備制造商已經(jīng)在努力了解各種潛在的挑戰(zhàn)，并設(shè)計(jì)不同的測(cè)試方法，確?；谖恢玫南到y(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的性能。例如，在3GPP中，有多個(gè)工作組和工作項(xiàng)目都與5G定位技術(shù)直接關(guān)聯(lián)。

如前文所述，5G設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)將首先在NSA和SA網(wǎng)絡(luò)中使用現(xiàn)有的4G LTE定位技術(shù)，尤其是在需要緊急呼叫服務(wù)的地方。

類似的情形也曾出現(xiàn)在4G剛剛推出之時(shí)。當(dāng)時(shí)的4G手機(jī)均為3G/4G雙模式，并且多年來在E911緊急呼叫時(shí)只使用3G。（相關(guān)的歷史：在4G的歷史中，LTE服務(wù)在全美推出7年之后，LTE領(lǐng)軍服務(wù)商之一Verizon才部署了第一臺(tái)不使用任何3G網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)）。最終的雙模手機(jī)會(huì)在撥打E911時(shí)使用3G，因此也會(huì)遇到各種位置性能問題，而且這些問題都在測(cè)試中一一反映出來。作為定位測(cè)試保障領(lǐng)域的領(lǐng)先公司，思博倫發(fā)現(xiàn)，在大量的3G/4G設(shè)備中，全新的LTE波段都會(huì)干擾設(shè)備的GPS衛(wèi)星定位接收機(jī)。而且由于協(xié)議或處理優(yōu)先順序的問題，3G/4G設(shè)備經(jīng)常無法精確地執(zhí)行3G位置定位。

為確保歷史不再重演，測(cè)試團(tuán)隊(duì)需要在5G實(shí)施的早期階段密切關(guān)注多個(gè)類型的問題：

• 為適應(yīng)雙模4G/5G設(shè)備，R15對(duì)4G LTE LPP定位協(xié)議進(jìn)行了修改，因此，應(yīng)重點(diǎn)確保這些修改不會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生不良影響。

• 多個(gè)波段之間的互動(dòng)很有可能會(huì)引入一些全新的嚴(yán)重干擾問題，并且會(huì)對(duì)接收GNSS信號(hào)的能力產(chǎn)生不良影響。由于5G設(shè)備會(huì)同時(shí)連接至5G NR和4G LTE，調(diào)制間（IM）和第三方諧波失真可能會(huì)出現(xiàn)在和差頻率上。例如，3.5GHz和5GHz范圍上的5G NR和LTE第4波段組合時(shí)會(huì)在主GNSS波段（L1）上直接疊加IM RF功率。其它常見的波段組合也會(huì)產(chǎn)生需要關(guān)注的類似IM問題。

• 在5G到4G的回退場(chǎng)景中，需要對(duì)其時(shí)延進(jìn)行測(cè)試和測(cè)量，例如當(dāng)5G NSA設(shè)備撥打語(yǔ)音呼叫時(shí)。這樣做的目的是確保設(shè)備能夠成功且快速地實(shí)現(xiàn)4G定位。

• 對(duì)處理器延遲也需要進(jìn)行評(píng)估，只有這樣才能確保優(yōu)先處理順序得到正確的管理。當(dāng)設(shè)備在各模式之間切換，建立會(huì)話或利用5G背景數(shù)據(jù)時(shí)，它們需要將緊急呼叫場(chǎng)景中的定位算法設(shè)定為最關(guān)鍵的優(yōu)先處理級(jí)別。
  

這些效應(yīng)的核心在于，5G設(shè)備中的4G技術(shù)必須經(jīng)過驗(yàn)證后才能確保TTFF和位置精度性能不會(huì)受到不良的影響。今天的法規(guī)要求比上一次換代時(shí)嚴(yán)格得多。此外，有些區(qū)域還要求執(zhí)行緊急呼叫的傳導(dǎo)和OTA一致性測(cè)試。要想滿足這些要求，4G測(cè)試系統(tǒng)就必須升級(jí)至最新狀態(tài)，為5G NSA和SA連接提供完備的支持。

在邁向5G定位下一階段的過程中，5G設(shè)備的設(shè)計(jì)師將面臨更加嚴(yán)格的要求。位置測(cè)試方法需要不斷進(jìn)行自我調(diào)整來應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的OTA用例，以及陣列天線和水平+垂直波束等技術(shù)。在面對(duì)毫米波頻率的設(shè)備時(shí)，頭部、手部和其它的遮擋問題也需要予以充分的考慮。室內(nèi)測(cè)試將成為位置測(cè)試中一個(gè)關(guān)鍵的組成部分。

只有同時(shí)涵蓋實(shí)驗(yàn)室和實(shí)地測(cè)試的方法，才是確保成功的最佳途徑。

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