5G定位原理及应用场景
1. 介绍
随着5G网络建设的不断推进，行业客户对5G功能的需求日益多样化，其中精准定位成为各行业的基本需求。 应急救援、车联网、智能制造、智慧物流等应用场景对定位能力提出了更高的要求。 定位能力是5G的核心能力之一。 R16协议提出了一系列定位精度达到亚米级的新定位方法，极大拓展了定位技术的应用场景。 作为领先的5G基站解决方案提供商，SageRAN持续研究和布局5G定位等前沿技术。
2. 5G定位技术演进
在通信定位系统的长期演进中，R9到R11协议的通信系统定位精度不高，一般在50到150米之间，主要基于观测到达时间差（OTDOA）、UL-TDOA、 和细胞识别（CID）。 从R12到R14协议，定位精度达到10米到100米，并提出了多种定位技术融合方案。 直到R15和R16协议，5G建设性地提出利用多输入多输出（MIMO）的多波束特性进行定位增强，并定义了基于蜂窝RTT、DL TDOA、到达角（AOA）、出发角的定位技术 角度（AOD）等，实现3~10米的定位精度。 在此基础上，技术不断演进，R17协议将室内定位精度进一步提升至厘米级，以满足特定垂直行业应用场景的需求。
3. R16定义的5G定位技术
图1：R16中定义的5G定位技术
3GPP在R16协议中定义了5G定位的定位精度和端到端定位时延：水平和垂直维度的定位精度均小于3米（针对该区域80%的用户），且 端到端延迟小于1秒。 为了达到这样的精度和时延，3GPP采用的主要定位技术包括DL-TDOA、UL-TDOA、UL-AOA和Multi-RTT。
4. 5G定位中使用的技术
·DL-TDOA
终端测量两个基站发送的下行定位参考信号（PRS）的到达时间差（RSTD），上报给定位服务器，定位服务器根据多个下行参考信号的时间差估计终端位置 信号。
图2：DL-TDOA定位原理
UL-TDOA
与DL-TDOA类似，但这是一种基于上行信号的定位技术。 基站测量不同位置的多个TRP接收到的增强检测参考信号(SRS)的上行相对到达时间(UL RTOA)，上报给定位服务器，由定位服务器确定终端的位置。
·DL-AoD
终端测量并报告下行参考信号波束的接收功率（即每个基站波束的DL RSRP），并基于发送波束的方向估计终端的位置角。 位置服务器根据多个基站的估计值对方程组进行求解，得到终端位置。
图3：DL-AoD定位原理
·UL-AoA
与DL-AoD类似，但这是一种基于上行信号的定位技术。 多个基站测量终端上行信号的到达角度，上报给定位服务器，定位服务器根据多个基站测量的角度求解方程组，得到终端位置。
·Multi-RTT
终端与至少三个基站交换参考信号，基站和终端均计算各自的Rx-Tx时间差。 两者相加即为往返时间（RTT），UE-TRP之间的距离为0.5RTT*光速。 三个UE-TRP的交集就是终端位置。 Rx-Tx信息被聚合到定位服务器以获得终端位置估计。
图4：多RTT定位原理
·E-CID
终端无线测量基站的参考信号，并将RSRP/RSRQ的测量指标上报给定位服务器。 定位服务器根据无线测量指标的路径损耗估计RTT，结合基站天线TRP的位置，通过多个圆的交点或波束方向与圆的交点来定位终端。 该方案的优点是不需要引入新的参考信号，但可能会导致定位精度不够。
图5：E-CID定位原理
5. 5G定位与其他定位技术的比较
与GNSS定位相比，5G定位可以通过宏基站实现室外定位，通过室内小型基站实现室内定位，同时为用户提供高质量的无线接入并同步室内外定位。 5G定位极大扩展了定位场景，为大量室内定位需求提供了新的选择。
与蓝牙、UWB等基于信标的定位技术相比，5G定位不需要部署大量信标站。 只需要部署少量的5G基站即可实现定位，未来还将实现类似信标定位的精度和位置更新周期。 5G定位降低了部署难度，大大压缩了部署周期。
6. 5G定位应用场景
根据3GPP R16协议中对NR定位用例的规范和要求，5G定位的应用场景大致可以分为以下三类：
A. 紧急定位
5G定位在应急救援中发挥着重要作用。 在紧急服务中，用户可以通过联系公共安全应答点（PSAP）并请求准确的定位信息来寻求帮助，以提供及时的帮助。 尤其是在井下矿井等特殊场所，高精度无线定位可以准确掌握被困人员位置，实时掌控救援力量分布，从而灵活部署救援工作，提高救援效率。
此外，在火灾、医疗突发事件等情况下，5G应急定位技术可以快速定位报警或救援人员的位置，为救援行动提供及时、准确的信息，有助于保障人民生命财产安全。
图6：应急定位场景
B. 个人定位
5G高精度定位服务不仅适用于突发事件，还支持大量个人业务，包括室外和室内场景，可以在交通道路、隧道、地下停车场或室内环境下支持高精度定位服务 。 在这些地区，由于卫星信号覆盖范围较小，基于5G网络的高精度定位服务变得尤为重要。
除了上述弱信号覆盖场景外，5G网络的高精度定位还可以应用于共享单车定位、设置停车电子围栏、基于用户位置实现AR应用、基于用户实现可穿戴设备省电策略等 定位、基于位置的广告、流量分析等。这些服务的实施依赖于高精度定位服务提供稳定可靠的网络支持。
图7：个人定位场景
C. 垂直行业
5G定位技术适用于工业、交通、港口、医疗、物流等各个垂直行业。在工业领域，5G高精度无线定位技术可以大幅提高管理效率和运营效率，实现智能仓储、生产 流程跟踪，自动化货物装卸加工，达到降本增效的目的。 在机场（车站）、商场、医院等人员密集场所，5G室内高精度定位技术可以提供高效的引导服务和动态分析方法，帮助管理人员提高运营效率，推动各行业智能化、数字化转型 。
图8：垂直定位场景
7. 结论与展望
随着5G网络建设的深入，更精准的5G定位将成为5G业务和应用的催化剂，为智慧城市和各行业建设带来无限可能。 SageRAN将持续投入5G定位技术的探索和创新，紧跟行业应用落地，赋能智慧城市生态！
