5G 5G NR GPS GNSS u-blox 3GPP R16

實現室內/室外精準定位 5G混合式定位前景可期

3GPP Release 16有望使高精準度定位服務更平價、普及且更可靠。利用與各種非蜂巢式技術結合帶來的新訊號特性,可實現穩健、可靠和多用途的混合式定位功能。
Nokia

您信任您的GPS嗎?您會盲目地跟著GPS指示前進嗎?雖然我們很少意識到,但是我們從智慧型手機或汽車的全球導航衛星系統(GNSS)接收器中讀取到的位置訊息其實是統計數字。GNSS所告訴您的位置,是指在給定的概率下,譬如說50%,您離指定位置的設定距離,譬如1公尺的結果。終究來說,您要如何運用獲得的訊息,取決於您有多信任您的裝置所提供的訊息。

長期以來,GNSS一直是提供用戶終端裝置準確位置估算的唯一來源。但隨著應用變得更廣泛、多樣化、且重視安全性,瞭解如何量化訊息的可靠性,並在沒有GNSS訊號時提供替代的輸入來源,對定位功能的成功與否至關重要。

當然,GNSS不是市場上唯一可用的位置訊息來源。內建蜂巢式數據機的裝置可利用蜂巢式訊號來確定其大概位置。市場上的主要通訊業者,如u-blox長期在其蜂巢式通訊模組中提供基於蜂巢式訊號以及混合式定位的解決方案,後者透過結合GNSS和蜂巢式訊號,可擴展定位服務的覆蓋範圍。

現在5G定位,這項5G技術中常被忽略的組成,正在由業界帶動的第三代合作夥伴計畫(3GPP)進行開發和標準化工作。該機構匯集了七個致力於開發電信標準的組織和數百家企業成員,正推動5G定位的發展,將其作為下一代蜂巢式通訊技術的一個組成部分,並考慮到各種垂直產業的需求。

蜂巢式通訊定位歷程

從一開始,定位功能在推動蜂巢式通訊時就扮演了重要角色。最初它只是一項副產品,把來電送到接收方的終端裝置,因為行動網路業者需要知道,在任何特定時間下,使用者是連接到哪個特定的蜂巢式基地台。

此情況到1999年有了改變,當時美國監管機構制定了高精準位置估算的要求,以實現緊急服務,因而促成了第一代基於蜂巢式技術的專用定位服務[1]。之後,歐盟在2002年跟隨美國的腳步[2]。自此,在產業需求以及3GPP標準化的推動下,定位服務的範圍隨著每一代蜂巢式技術的發展而持續擴展。

因此,現今的4G LTE網路已經為行動網路業者提供廣泛的方法,可根據不同的準確度來確定每個使用者的位置。這些方法是利用固定和行動網路基礎建設,以及外部來源,例如定位衛星,的不同組合來實現的。表1概述了4G LTE主要的定位服務。

因應新興應用需求 行動定位服務愈趨重要

雖然行動定位服務的主要推動力量是來自監管機構的要求,但如今,包括硬體和設備製造商、航太機構和行動網路業者在內的一些公共和私人企業都期望透過蜂巢式定位服務來提供更高的定位準確度和精確度,以實現新一代的商業化行動定位服務。

這些應用大致可歸類為UE輔助式(UE-Assisted)以及UE式(UE-based),前者是指網路和外部應用可獲得位置資訊,以便能追蹤物件的位置;而後者則是利用UE(使用者裝置)自行計算位置,以供導航和引導之用。

與此同時,有鑑於物聯網(IoT)已滲透到經濟和社會生活的各個層面,因而提升了大眾對定位技術的覆蓋範圍和可靠性的期望。如今,正如人們期望在任何地方都可以高速上網一樣,大眾對高精準度定位也是有相同的期待。

因此,3GPP和其他標準化機構正重新審視其即將發布的版本中,有關蜂巢式定位的應用領域和效能要求。有許多使用案例都能因更高精準度的定位服務而受惠,包括工業、資產追蹤、汽車、交通管理、智慧城市、共享單車、醫院、無人機、公共服務、擴增實境(AR)、以及消費性和專業穿戴裝置。

總結來說,5G技術旨在提供各種基於蜂巢式和混合式定位的服務,根據每個特定使用案例的需求,提供絕對和相對的定位資訊。關鍵的位置訊息應在傳遞時搭配對此讀數的信心度指標。目前尚未完全定義和商定的關鍵要求包括:水平和垂直準確度、相對準確度(在附近裝置之間)、首次定位時間、速度準確度、功耗、延遲,以及與操作和安全性相關的特性。

下文將探討三個使用案例對垂直產業帶來的要求:(i)無人機任務和操作、(ii)IIoT追蹤應用,以及(iii)自動車輛導航(圖1)。前兩個使用案例的數值是引用3GPP TR 22.872技術報告[6]。而汽車使用案例包括廣泛的特定應用,是來自於其他的參考文獻[7]、[8]。

圖1 三類型垂直應用領域對5G定位需求指標。

改變定位遊戲規則 新一代GNSS接收器登場

過去幾年,衛星定位技術一直在快速發展中。在衛星導航的早期,GNSS接收器必須依賴單一軌道衛星星系,可能是美國GPS系統或是俄羅斯GLONASS系統,來確定它們的位置。現在,除了原有的兩個系統,已經有更多系統投入運作,包括歐洲伽利略和中國北斗,還有幾個區域性增強系統。現今,可同步接收來自所有軌道GNSS星系訊號的多星系GNSS接收器,例如u-blox F9系列接收器,已成為主流。因為接收器能夠「看到」更多數量的衛星,即使當一大部分的天空被遮蔽時,例如在城市(或實際)的叢林中,也能夠提高定位精準度並縮短定位時間。

最初,GNSS接收器是利用在單一頻段上發送的衛星訊號來估算它們的位置。造成位置誤差的主要原因之一是當衛星訊號穿過帶電電離層時,衛星訊號會減慢。因為該延遲與頻率平方的倒數成正比,所以利用來自其他頻段的訊號有助於確定和校正電離層誤差。最新一代的雙頻GNSS接收器利用標準的基於程式碼的定位功能,在開放天空的條件下,可把平均位置誤差從2.5公尺降低到低於1公尺。

長期以來,GNSS定位的品質因商業化GNSS校正服務而獲得提升。GNSS校正服務供應商通常利用具有精確已知位置的基地台網路來監視進入的GNSS訊號,並且向終端使用者發送定制的校正訊息以收取費用。針對基於程式碼的定位,稱為差分校正(Differential Corrections)。

當使用高精準度載波相位追蹤即時動態定位(Real Time Kinematic, RTK)方法時,從附近的參考接收器獲得的校正資訊可用來實現公分級的定位準確度。現在,新一代的GNSS校正服務正在開發中,它採取另一種方法,廣播GNSS程式碼和載波相位校正數據到整個地理區域,例如,透過網際網路或衛星把訊息傳送至一個國家或整個大陸。

多星系和多頻段接收器與新型GNSS校正方案的結合,不但可實現公分級的定位精準度,同時還能顯著降低擁有成本,也為公分級高精準度定位的新型態大眾市場應用奠定了基礎。

也就是說,GNSS還有兩個缺點,一是接收器需要位於軌道衛星的視線範圍內,才能精準定位。在室內和隧道中,衛星定位服務品質會降低,甚至無法使用;二是就算在最好的情況下,GNSS接收器也需要數秒鐘才能從冷啟動中完成首次定位。然而,透過利用慣性感測器(這主要是為汽車應用所打造的慣性定位(Dead Reckoning)解決方案),在超出GNSS訊號可到達的區域裡,可大幅擴展高精準度定位的範圍。此外,透過提供比利用GNSS訊號本身更快的方式來取得GNSS軌道和時脈數據,輔助式GNSS(A-GNSS)可加速首次定位時間。

2020展露頭角 5G蜂巢式定位蓄勢待發

3GPP Release 15所定義的下一代蜂巢式技術5G New Radio正在開發中[9]。隨著三星和Verizon、LG和Sprint、以及華為已在2019年初推出5G智慧型手機,某些地區的終端使用者早在2019年上半年就能首先存取建構在4G LTE之上的非獨立式架構,而Apple則預計在2020年跟上[10]。之後,獨立式5G將展開部署。

多家行動網路業者已經公開表示,將從都會區開始部署5G網路。美國領先風潮,AT&T已於2018年推出5G服務,目標是在2019年年中達到覆蓋全國的目標[11]。第二個進入競賽的國家是韓國,其電信業者已聯合宣布計畫在2019年3月推出5G網路服務[12]。在英國,Vodafone則宣布將在2020年開始推出5G服務。然而,在2019年底發布Release 16之前,高精準度定位服務還不會成為3GPP 5G NR規範的一部分,它的部署最早要等到2020年才會開始。

5G技術背後有各式各樣的推動力量。新應用在可靠性、可用性、覆蓋範圍和延遲等各方面將對蜂巢式網路帶來更高的效能要求。行動網路業者希望透過5G部署,從產業垂直市場中開創新的營收來源。晶片供應商則在5G中看到透過授權智慧財產權來提升營收的機會。而使用者將能得到他們長久以來所期望的更高數據傳輸率。

5G蜂巢式通訊技術可透過三個關鍵的使用情境來滿足這些不同的需求,包含增強型行動寬頻(enhanced Mobile Broadband, eMBB),超可靠低延遲通訊(Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC)和大量機器型態通訊(massive Machine Type Communications, mMTC):

・eMBB:把蜂巢式通訊的專用頻譜擴展到更高頻率,能以更快的速度傳輸資料。

・URLLC:可推動新的商機,如自動駕駛汽車和V2X應用。

・mMTC:將持續推動在低功率廣域(LPWA)通訊上IoT應用的發展。

要在這些情境中實現定位功能,需要新的訊號以及可擴展可用技術範圍的新型基礎建設[13],包括在更高頻率的更大頻寬、更多天線組合成複雜的天線陣列,以及更密集的電信網路。其目標非常遠大:能以低於15毫秒的低延遲提供1公尺以內的定位準確度。

5G有利於蜂巢式定位技術發展

3GPP目前正專注於把各種4G LTE定位方法陣列帶到5G。通常,這些方法是使用上行鏈路和下行鏈路訊號來確定個別終端裝置的位置,以確定它們相對於做為錨點(Anchor Point)的行動網路天線的位置,例如增強型Cell-ID和以TDOA為主的方法。

在增強型Cell-ID中,終端裝置會監視它們與多個基地台的接近程度,測量訊號強度和到裝置的大概傳播時間。透過結合這些觀察結果,可以計算出比僅測量最近基地台更好的位置估算。

在TDOA方法中,終端裝置會準確測量來自多個基地台的訊號到達時間。利用多點定位,根據觀察到的接收時間之間的時間差,與增強型Cell-ID相比,裝置可更準確地確定它與觀察到的基地台之間的相對位置。

另一種方法是尚未被運用的側邊鏈路(Sidelink),這是一種與裝置間通訊有關的4G LTE技術,可使裝置確定它們彼此間的相對位置。一個明顯的使用案例是車對車(V2V)通訊。

5G的新頻譜分配對蜂巢式定位技術來說是個好消息,尤其是可以在更高頻率獲得更大的頻寬(除了低於6GHz以外,毫米波(mmWave)高於24GHz)。更大頻寬意味著,可以更準確地解決訊號時間問題(時間和頻寬為反比關係),因此更大頻寬提高了解決多路徑效應的能力,這是混亂的城市和室內環境設定的主要誤差來源,因為若是訊號以不同的路徑傳播,到達的時間也不相同。

5G朝新頻率轉移,也影響了蜂巢式基地台的地理位置部署和所使用的天線技術,同時也更有利於蜂巢式定位技術。因為它們會產生更高的傳播損耗,短波長的傳輸範圍會比長波長更小,這意味著行動網路業者將需要部署更多的基地台來維持覆蓋範圍。此外,導入具有波束成形功能的天線陣列將有助於將訊號引導至終端使用者。更高密度的指向性天線將透過測量延遲、到達角(Angle of Arrival, AoA)和出發角(Angle of Departure, AoD)來改善多徑分量(Multipath Components)的辨識率,進而提高定位效能。此外,它也能利用單一基地台來定位裝置。

目標高精準度定位 混合定位方法不可少

沒有任何一種單一方法能夠可靠地在所有環境條件下,提供不同使用案例所需的定位準確度。正如目前所看到的,雖然現在的GNSS解決方案能夠可靠地提供高準確度定位,但它們對於室內應用有其限制。反觀5G定位解決方案,因為能與其他技術互補,可提供室內和室外環境的準確位置估算。

透過把多種蜂巢式方法與非蜂巢式方法,例如GNSS,地面信標系統(Terrestrial Beacon Systems, TBS),基於Wi-Fi和藍牙的測量、以及慣性測量(Inertial Measurements, IMU)以最佳的方式組合在一起,混合式解決方案深具實現準確定位的潛能。額外的備用技術可增加容錯性並提升整體解決方案的完整性,並為每個位置估算提供信心度的定量指標。

R16標準即將底定 蜂巢式聯網定位蓄勢待發

由於體認到混合式定位解決方案可望實現新的應用,3GPP已把GNSS和衛星訊號,以及Wi-Fi和藍牙等地面訊號納入研究範圍。由3GPP研究計畫產生的最終解決方案,目標是要在2020年第1季發布的Release 16中導入無線電規範。

3GPP已經設定了雄心萬丈的目標,計畫於2020年上半年發布Release 16。在5G的多樣化訊號環境之上建置蜂巢式定位解決方案是一項複雜的任務,可望帶動基礎建設的及時部署,以實現更普及的覆蓋範圍並吸引更廣大的使用族群。

正如目前所見,混合式定位方法對於滿足新興應用的嚴格需求非常重要,尤其是當今的人們對於隨時隨地都能實現高精準度定位的期望已成常態。因此,無可避免地,各種不同技術的代表,無論是全球導航衛星系統(GNSS)、蜂巢式、短距離通訊、衛星通訊或者其他通訊技術都需共同努力,以打造更完備的定位解決方案。

(本文作者分別為u-blox蜂巢式產品中心5G技術主管、u-blox定位產品中心資深首席工程師)

 

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