1、2023 年 9 月 Chinese Journal on Internet of Things September 2023 第 7 卷第 3 期 物 联 网 学 报 Vol.7 No.35G 多站定位精度分析与提升方法 赵飞龙1,2，王丽莉1,2（1.中国移动通信集团海南有限公司，海南 海口 571250；2.新一代移动信息通信技术国家工程研究中心海南自贸港分中心，海南 海口 571250）摘 要：RAT-dependent 是 5G 自带的不依赖卫星的定位技术。3GPP 给出了单站理想条件下的定位精度克拉默拉奥下界（CRLB,Cramer-Rao lower bound）并给出了多站在不
2、同网络配置下的仿真定位精度。基于实际组网条件提出了多站定位精度的分析框架和精度范围，并提出相应的提升方法，实验结果表明，RAT-dependent 定位精度与组网技术紧密相关，优化方案相对于非优化方案定位精度可提升 20%30%。关键词：5G；RAT-dependent 定位；定位精度 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.20963750.2023.00342 Multi-station positioning accuracy and enhancement method for 5G ZHAO Feilong1,2,WANG Lili1,2
3、1.China Mobile Group Hainan Co.,Ltd.,Haikou 571250,China 2.National Engineering Research Center for New Generation Mobile Information and Communication Technology Hainan Branch,Haikou 571250,China Abstract:RAT-dependent is a satellite independent positioning technology of 5G.3GPP gives the Cramer-Ra
4、o lower bound(CRLB)of the positioning accuracy under the ideal condition of a single station and the simulation positioning accuracy of multi-station under different network configurations.Based on the actual network conditions,the analysis framework,accuracy range of multi-station positioning accur
5、acy and the corresponding improvement method were pro-posed.The experimental results show that the RAT-dependent positioning accuracy is closely related to network tech-nologies,and the positioning accuracy of the optimized scheme can be improved by 20%30%compared with the non-optimized scheme.Key w
6、ords:5G,RAT-dependent positioning,positioning accuracy 0 引言 基于全球导航卫星系统（GNSS,global naviga-tion satellite system）的定位由终端设备执行，按需将定位结果上报给上层应用系统，在地面定标网络的辅助下，定位精度已经达到厘米级1。但在许多应用场景中，如低功耗设备定位、卫星受阻挡的室内定位和终端无感知的被动定位，需要由网络执行终端定位。3GPP 长期致力于无 GNSS 辅助的精准定位技术研究，3GPP Release16（Rel-16）定义了5G 的定位架构并将 3GPP 定位技术统称为RAT-d
7、ependent 定位技术（也称为带内定位技术），发布了一些相关定位的精度技术报告2-10。Rel-17提出了增强 RAT-dependent 定位精度的相关技术方案11，明确了定位精度的具体目标为 90%的情况下水平定位精度不低于 50 m。但是根据 3GPP 的技术收稿日期：20230221；修回日期：20230418 通信作者：赵飞龙， 基金项目：国家重点研发计划（No.2022YFB3900011）Foundation Item:The National Key Research and Development Program of China(No.2022YFB3900011)96
8、 物 联 网 学 报 第 7 卷 报告2-10，高通等公司认为当前的定位技术不能满足预期目标。文献1,12-13综述了 RAT-dependent定位技术的发展。文献14-15初步分析了 RAT-dependent 定位精度及网络参数的影响。文献16-17分析了 RAT-dependent 定位技术发展路线和系统架构演进。目前，相关的研究大多基于 3GPP 单站理想条件下的定位精度克拉默拉奥下界（CRLB,Cramer-Rao low bound）开展，未能给出真实网络条件下，多站联合定位可以得到的实际定位精度。本文基于实际组网条件的约束，给出多站定位精度的分析框架和精度范围，并提出相应的提升
9、方法。1 RAT-dependent 定位原理 3GPP RAT-dependent 定位技术框架如图 1 所示，终端测量多个基站发送和接收点（TRP,transmission and reception point）的到达时间（TOA,time of arrival），进而计算出各相邻基站 TRPi与参考基站 TRP1之间的参考信号时间差（RSTD,ref-erence signal time difference）。基于下行链路 RSTD的定位技术（如观测到达时间差（OTDOA,observed time difference of arrival）和基于上行链路 RTOA的定位技术（如上
10、行链路到达时间差（UTDOA,uplink time difference of arrival），在定位方法上完全一样，本文统一称为到达时间差（TDOA,time difference of arrival）。UE 或 gNB 将生成的测量报告（MR,measurement report）上报到定位管理功能（LMF,location management function）进行定位计算18。在 LMF 上，可以形成 UE 到两个 TRP 的距离差值（即 TDOA）为定值的双曲线轨迹，构建两条这样的双曲线，其交点即终端的位置。因此，UE 要求至少能测量到两个异址的相邻 TRP 的定位参考信号（
11、PRS,positioning reference signal）。图 1 3GPP RAT-dependent 定位技术框架 TDOA 测量过程如图 2 所示，TRPi在偏离标准时钟 i时刻发出一个 PRS，经过 di传播距离后到达终端接收天线处，由于多径效益到达终端接收天线处存在时延色散，因此 TOAi为 1TOAiiiidc(1)其中，c为电磁波在空气中的传播速度。那么，终端检测TRP1到TRPi的RSTDi,1为式(1)两个TOA的差值，表示为 ,11111RSTD()()()iiiiddc(2)代入TRPi经纬度(xi,yi)和终端经纬度(xt,yt)，式(2)可以进一步改写为 22
12、2211,1,1,1()()()()(RSTD)titittiiixxyyxxyyc(3)根据式(3)，单站定位的误差主要来自工参误差、RSTD误差、同步误差和不同的时延色散4个部分。因此，多站定位算法就是解式(3)的方程组，求解(xt,yt)。根据可测量到的TRP个数，方程组有可能超定，也可能欠定。文献19已经给出了相应的解决办法。图 2 TDOA 测量过程 2 多站定位精度分析 根 据 文 献20，多 站 定 位 总 误 差pos singleGDOP，其中GDOP为几何精度衰减因子（GDOP,geometric dilution of precision）表征多站联合定位可降低单站测距误
13、差的影响。测量到的基站第 3 期 赵飞龙等：5G 多站定位精度分析与提升方法 97 数越多，GDOP越小，定位精度越高。单站定位精度single与RSTD精度RSTD、多径时延色散MP、基站间的同步精度BS和基站数据库精度ant均有关21-22。一般，4个因素统计不相关，则单站定位精度可以表示为 2222singleRSTDBSantMP(4)2.1 RSTD 定位精度 根据图2，终端测量的参考信号时间差,1,1,1RSTDTDOAiii 可以分解为两大部分，用于计算终端到TRP1和TRPi之间的,1TDOAi和测量误差,1i，即 ,1,1,1222RSTDTDOA,12222TOA,1,14
14、4CRLBiiiiiic(5)其中，测量误差,1i为终端测量PRS到达时刻的误差，与5G网络的时域基本时间单位有关，可以表示为 ,1maxFFTTciccfN(6)其中，Tc为3GPP 38.21123定义的5G最小时间单位，3GPP规定fmax最大子载波间隔为480 kHz，NFFT傅里叶变换级数取值4096，因此Tc为0.509 ns。TDOA误差与PRS的TOA测量有关，精度受限于信道的多径效应，视距（LOS,line of sight）测量精度高，非视距（NLOS,non-line of sight）测量精度低，且多径程度越严重测量精度越差。在TOA距离误差估算方面，文献24给出了TO
15、A距离估计的标准差上界为1 667 m。文献25假设加性白高斯噪声（AWGN,additive white Gaussian noise）信道，不考虑各种干扰、多径和NLOS传播导致的测量误差，给出了TOA距离估计标准差的CRLB为1.591 m。文献2-10给出了不同公司提交的基于系统仿真的TDOA距离估计的评估结果，在考虑网络同步误差50 ns的情况下，在80%的位置概率下可达4065 m。根据文献26-27，TOA的CRLB为 PRSsymb1/2 12222,0/21CRLB()SNR 8NNk llkNfka (7)其中，SNR为信道信噪比，f为子载波带宽（单位：kHz），PRSsy
16、mbN为一个定位周期内PRS可使用的正交频分复用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）符号数，N为PRS带宽内的子载波数，k为频域子载波序号，l为时域符号序号，当RE(k,l)有PRS时，,1k la，否则,0k la。对于典型的5G网络2-4，k和ak,l为1，式(7)可以改写为 222PRSsymb311CRLB()4SNR12fNNN(8)TOA的定位精度TOA与f、PRSsymbN和N有关，提升定位精度可以通过增大f、PRSsymbN和N来实现。5G采用Massive MIMO阵列天线，其信道硬化后202noiseSNRh，2noisefN KTN f为PRS带宽内的热噪声功率，其中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，Nf为接收机的噪声放大系数，式(8)又可以进一步改写为 f222PRS0symb31CRLB()412N KTNhf N(9)由于PRSCBW/Nf，PRSPRSsymbPRScomb/NLK，式(9)可以进一步改写为 PRScomb22PRS0PRSPRS3CRLB()2CBW2/CBWfN KTKLhff
