5G精準定位技術 支援多元定位服務需求

5G精準定位技術 支援多元定位服務需求

工研院資通所 陳冠昇 王幕良

相信不少人都有過類似的經驗,往往只要身處地下室、大型商場,GPS定位功能就如同失去魔法般,無法完成正確定位;而目前室內行動終端設備使用頻率大增衍生了大量的室內商業行為及經濟生態需求,一個精準的定位服務可以促進人們在室內的各項經濟活動及生活所需服務,如適地性服務 (Location-Based Service, LBS) 的快速發展,其多樣性的應用與服務已引起了全球的關注。適地性服務(LBS)可分為追蹤、導航、訊息訪問(Information Access)與行動廣告等方面應用,其應用場域非常多樣,包含購物中心、停車場、居家照護、展覽中心及機場等。這些應用服務必須建立在高準確度室內定位技術上。定位服務與緊急定位呼叫服務需求促使了定位技術在無線網路的演進。全球衛星定位系統能夠在室外定位的環境中,將定位誤差縮小至只有數公尺,隨之也衍生出許多定位相關的應用與商機,如:google地圖、導航系統、車輛追蹤、社交網路打卡、廣告推薦系統……等等。在2008年的時候,支援定位服務的第四代蜂巢式行動網路問世,這使得電信營運商能夠取得用戶的位置資訊以獲取定址服務並滿足緊急監視呼叫定位的需求。本文將介紹5G NR定位的核心技術及NR定位協定A(NRPPa),5G NR定位的使用者應用場景以及未來5G NR定位服務的市場評估。


 

精彩內容

1. 5G定位服務需求與技術介面介紹
2. 5G定位核心技術小學堂
3. 工研院行動終端精準定位技術 滿足市場需求

5G 定位服務需求與技術介面介紹

1.5G定位服務需求具關鍵績效指標要求

5G網路被視為移動互聯網與物聯網的重要載體,5G帶來更智能也更多元的商務應用。且5G在未來也會被廣泛應用載智慧家庭、遠距醫療、遠距教學、工廠應用、車聯網(V2X),具體包括巨量的資料鏈入、工業自動化、緊急急難救助、3D影像傳輸、高清影片、雲端服務、擴增實境(AR)、虛擬實境(VR)、自動駕駛、現代物流、無人載具(UAV)、廣告推播、交通監視與管理、路邊停車收費、醫院內病人、設備與藥物定位追蹤管理等等。

5G定位技術需要滿足多樣性的應用服務及多種的使用者情境。其關鍵績效指標(KPI)為定位精準度、移動性、延遲性、連結數以及QoS保證這幾項為基本訴求。針對車連網及無人載具(機)等應用情境,需提供超高移動性(例:100km/h)、高定位精準度(<1m)及即時性(<1s)的定位服務。針對緊急急難救助的應用情境,則需要提供高QoS保證(>99%)的定位服務。針對工業自動化的定位服務,需提供高連結數(>10000/〖km〗^2)之物件定位服務。3GPP也針對5G定位的使用者場景訂定規格書,並列出幾項定位服務的關鍵績效指標要求,如下表1:

表1  5G使用情境整理

Use cases Potential requirements per use cases
Environment of Use Position Accuracy Velocity Avail. Update rate or interval TTFF Latency Other KPI
Bike sharing 5G positioning service area – Outdoor 2m Horizontal 90 % 10s 1s
Enhanced positioning area – Outdoor 0.2m Horizontal 99 % 10s 1s
Augmented Reality Outdoor – 5G positioning service area

1-3m Horizontal

0.1-3m Vertical

2 m/s
10deg.
80 % 1 – 10 Hz 10s 1s Low Energy
Advertisement push 5G positioning service area – -Outdoor/Indoor

3m Horizontal

3m Vertical

90 % 60s
Person and medical equipment location in Hospital Enhanced positioning- Outdoor/Indoor

3m Horizontal

2m Vertical

99 % 60s
Patient location
(outside Hospital)
5G positioning service area
Outdoor/Indoor

10m Horizontal

3m Vertical (floor)

99 %
Trolley Enhanced positioning- Outdoor/Indoor

0.5m Horizontal

1-3m Vertical

99 % 20ms
Emergency call 5G positioning service area
Outdoor/Indoor
50m Horizontal
3m Vertical
95 % 30s 60s Reliability/
Confidence
Emergency equipment loc. outside hospitals 5G positioning service area Outdoor/Indoor

10m Horizontal

3m Vertical (floor)

95% 10s Extended sleep periods
Traffic Monitoring & Control 5G positioning service area – Outdoor 1-3m Horizontal
2.5m Vertical
95 % 10 Hz 10s 30ms Antispoofing
Antitampering
Road User Charging 5G positioning service area – Outdoor
Enhanced positioning-Tunnels
<1m (across track)
3m (along track)
2 m/s 99 % 1 Hz 10s Antispoofing
Antitampering

UAV

(Data analysis)

5G positioning service area – Outdoor 0.1m Horizontal
0.1m Vertical
0.5 m/s
2 deg.
99 % 10s Low Energy, Antispoofing, Antitampering
UAV (Remote control) 5G positioning service area – Outdoor 0.5m Horizontal
0.3m Vertical
99 % 150ms Antispoofing
Antitampering
Enhanced positioning area – Outdoor 0.5m Horizontal
0.1m Vertical
99.9 % 150ms Antispoofing
Antitampering
Support multiple different location service 5G positioning service area – Outdoor 2m Horizontal 90 % 10s 1s Management of different KPI and positioning services
Enhanced positioning area – Indoor 0.1m Horizontal 99 % 10s 1s
Support location method negotiation 5G positioning service area Outdoor/Indoor Support + negotiation of positioning methods (incl. hybrid)
Note: most use cases also feature potential requirements on modes of operation, intended for the UE, the Network or for the 5G system.

3GPP也對5G定位的使用者作分類,詳見下表2:

表2. 5G使用情境分群概述

Type of UE Related
Use cases
KPI Service area – environment of use
Enhanced positioning area 5G positioning service area
Outdoor / Indoor Outdoor
(rural, suburban)
Outdoor
(deep urban)
Indoor
Handheld / wearables

Bike Sharing

Augmented Reality

Wearables

Advertisement push

Flow management

Patient Location (2)

Emergency Call

Horizontal Accuracy 0.2m – 1m 1m – 3m 1m – 3m 10m – 50m
Vertical
Accuracy

Outdoor:1-3 m

Indoor: 0.1-1 m

3m 3m 0.1 – 3 m
Velocity (bearing) 2m/s (10deg.) 2m/s (10deg.)
Availability 80 % – 99% 80% – 99% 80% – 99% 0.95
TTFF 10s – 30s 10s – 30s 10s – 30s 10s – 30s
Machine Control / Transportation

Trolley

Traffic M&C

Road User Charging

UAV (Data Analysis)

UAV (Remote Control)

Support multiple different location services

Horizontal Accuracy 0.1m – 0.5m 0.1m – 3m 1m – 3m
Vertical
Accuracy
0.1m 0.1m – 0.3m 2.5m
Velocity (bearing) 0.5m/s (2 deg) – 2m/s 0.5m/s (2 deg) – 2m/s
Availability 99% – 99.9% 95% – 99.9% 95% – 99.9%
TTFF 1s – 10s 1s – 10s 1s – 10s
Colour legend
Very high accuracy use cases in favourable environment of use: either enhanced positioning areas or outdoor environments with limited signal obstruction. This group features accuracy levels below 0.2 m, expected for relative positioning services, during rendezvous phase between two UE standing in close range of each other (< 5 m).
High accuracy use cases, with less demanding availability (e.g. 90%) or facing outdoor or enhanced positioning areas.
Use cases for which accuracy targets are relaxed to fulfil challenging requirements such as high availability throughout the 5G positioning service area or very low energy consumption (e.g. to sustain a 15-years lifetime)

2.5G定位技術介面 人性化且全面性

5G定位技術面臨多樣性且多元性的應用需求,且定位蒐集到的資料也非常龐大,因此需要一個Location Management Function(LMF)Server來管理龐大的定位相關資料,接著在LMF伺服器上運行定位演算法,最後輸出精準的定位計算結果。而LMF Server也能夠整合5G mmWave Small Cells與5G sub-6G Small Cells,並且透過NG Application Protocol(NGAP)向NG-RAN獲取定位相關資料,其中也提供了E-CID Location Information Transfer介面,如圖2以及OTDOA Information Transfer介面,如圖3,以便向NG-RAN取得UE定位所需資訊,接著在LMF server上運行定位演算法,最後輸出精準的定位運算結果。

LMF Server也會提供Northbound API,提供5G Applications取得精準定位資訊,LMF Server也會提供幾個定位條件參數介面,如:Position Accuracy, Velocity, Availability, Interval, Latency, Power Consumption等條件之定位界面、Rural, Urban, Road Tunnels, Parking Area, Indoor等環境之定位界面、整合智慧專網應用服務(包含: 智慧交通、智慧電網), 提供符合特定需求及環境下之定位資訊,做到相當人性且全面性的定位服務。


圖1 5G定位管理伺服器系統架構圖
圖1 5G定位管理伺服器系統架構圖

圖2 E-CID量測初始化流程以及成功操作
圖2 E-CID量測初始化流程以及成功操作

 

圖3 OTDOA量測初始化流程以及成功操作




圖3 OTDOA量測初始化流程以及成功操作
  

5G定位核心技術小學堂

3GPP於2018年7月提出了第一版的NR Positioning Protocol, 由LMF (Location Management Function)經由NGAP(NG Application Protocol) 來提供5G Positioning服務, 可結合Non-3GPP Positioning來提供全方位Positioning Services。核心技術包含E-CID、OTDOA兩種方法,以下會針對兩項定位技術作細部的介紹。

E-CID(Enhanced Cell-ID)Positioning: 利用NGAP協定,取得Cell ID 以及Angle of Arrival、Timing Advance、RSRP、RSRQ、Other RAN、WLAN measurement Results等資訊, 於LMF Server計算UE所在位置。

圖4 E-CID 定位法示意圖
圖4 E-CID 定位法示意圖

傳統基地台會將涵蓋範圍平均切成三個扇形區段(sector),而每個區段為120度,每個區段都配有不同的細胞識別碼(Cell ID),傳統的Cell ID定位法是利用蜂巢式細胞的這種特性,就可以將用戶(UE)位置鎖定在該基地台的該個區段內。但是這種定位法的精準度需要仰賴於基地台的密度,若是基地台密度低的偏遠地區,一個基地台需要涵蓋的範圍就會非常大,因此基地台的區段範圍會非常大,所以定位誤差可能會差到幾公里,但即使在基地台密度高的地區,如市區,傳統的CID定位法的定位誤差也至少差到數百公尺。因此,在3GPP realse9版本提出了Enhance-CID(E-CID)定位法,用以強化定位精準度,縮小定位誤差。

E-CID定位法主要利用無線訊號來回基地台與用戶的時間(Round Trip Time, RTT)以及上行訊號入射角度(Angle of Arrival, AoA)的資訊輔助定位,以下會作細部探討。

無線訊號來回時間(RTT)估計:藉由解析訊號時間前置(Time Advance, TA)在傳送及接收端的時間差,即可算出基地台與用戶(UE)的距離。如圖5所示

圖5 RTT示意圖
圖5 RTT示意圖

由上圖示可得知RTT = (eNB Rx-Tx)+(UE Rx-Tx),因為訊號一來一往,且訊號傳遞的速度為光速,因此基地台與用戶(UE)的距離d = c * RTT / 2,有了基地台與用戶距離後再搭配傳統的CID資訊,便可以確認用戶在該基地台的哪個區段(sector),而定位準確度又分兩種,分別是計算一個基地台與用戶的距離及計算三個基地台與用戶的距離,如圖6所示。

圖6 RTT-based E-CID示意圖
圖6 RTT-based E-CID示意圖

入射角(AoA)估計:入射角估計是利用用戶上行的Sounding Reference Signal (SRS)訊號及Demodulation Reference Signal (DM-RS)訊號傳送至基地台入射角度來輔助定位出用戶在該區段的位置,如圖7所示:

圖7 AoA-based E-CID示意圖
圖7 AoA-based E-CID示意圖

ECID定位法的好處是當用戶處於室內時也仍舊可以使用,且實測的定位誤差能夠縮短至150公尺內。觀測時間差Observed Time Difference of Arrival OTDOA)Positioning:利用NGAP協定取得多基地台訊號的到達時間, 於LMF Server進行定位運算觀測時間差(OTDOA)為傳統TOA定位法的改良。TOA的定位法係利用量測基地台的參考訊號到達用戶端的時間與光速乘積獲得基地台與用戶端的距離,並以此距離為半徑畫一個同心圓,最後使用最小平方估測法(Least-squares Estimation)來估計用戶位置,如圖8所示。

圖8 傳統TOA定位示意圖
圖8 傳統TOA定位示意圖

而TOA定位法的缺點在於在基地台與用戶端之間的時間非同步(asynchronous)的情況下,雙方都無法知道訊號發射的絕對時間,因此會造成所計算的同心圓半徑與實際的距離會有誤差,導致定位誤差很大。而TDOA及利用相對時間差來彌補這項缺陷,由兩個不同的基地台同時發送參考訊號給用戶,兩參考訊號(Reference Signal Time Difference, RSTD)形成一條單曲線(one of hyperbola),至少需要三個同步的基地台,若基地台不同步也會遇到TOA的問題,接著靠兩兩基地台形成的單曲線,再套用最小平方估測法去估測用戶位置,如圖9所示。

圖9 OTDOA 定位圖
圖9 OTDOA 定位圖

5G定位技術不僅門檻高,也充滿諸多困難點:

  1. 多樣性關鍵績效指標:需滿足不同的應用服務,且不同應用服務對於定位的關鍵績效指標需求不同,LMF Server需同時考量多項指標,包含: Position Accuracy、Velocity、Availability、Interval、Latency、Power Consumption…等。
  2. 多樣性環境:需滿足不同的使用環境需求,包含農村、城市、公路隧道、停車場、室內……等。
  3. 基於無線通道的精確定位:利用無線通道資訊(Channel State Information; CSI)提供公分等級定位精準度。
  4. 結合Non-3GPP定位技術:包含GNSS(即GPS、BeiDou、Galileo、 GLONASS)、Terrestrial Beacon Systems(TBS)、Bluetooth、WLAN、 RFID……等

但目前5G定位仍沒有確定最終的共識版本,畢竟有些室內定位商業應用需滿足公分級的精準度,實屬不易,因此3GPP會於下個會期再次討論定調未來5G定位的具體細節。


工研院行動終端精準定位技術,滿足市場需求

5G定位市場評估及商業藍圖規劃

5G定位架構中的LMF server可以鎖定專網業者、定位應用服務供應商以及電信營運商,專網業者針對專網所提供的特殊服務,需專屬定位服務,此技術可滿足專網需求(意即:自動化工廠專網、智慧電網)。垂直整合服務業者為了滿足特定應用,並結合Non 3GPP Positioning服務,此技術可滿足業者需求(意即:車連網服務SI)。電信營運業者在未來5G通訊世代皆需提供高精度的定位服務,此技術可滿足電信業者需求(意即:Emergency and Mission Critical)。

工研院研發了一套行動終端精準定位技術,係利用Small Cell Forum(SCF)國際標準組織所訂定之nFAPI(network functional application platform interface)標準介面所提供的手機通道資訊,解析出手機相對於基地台的距離跟角度,藉以計算出手機所在位置。此技術主要透過基地台取得的手機通道資訊來進行定位,利用基地台多天線間收到上行訊號的相位差計算出收到訊號的入射角(AoA, Angle of Arrival),並考量目前手機已具有多根天線的特性,透過手機上多天線間發射訊號的相位差可推導出手機訊號的發射角(AoD, Angle of Departure),以及手機每根天線發射子載波的波長差計算出每根天線的飛行時間(ToF, Time of Flight)再轉換成距離,使得精準定位技術僅透過一台基地台定位即可找到手機的位置,其精準度可達到公分等級。

本系統適用於任何手機,並支援各種作業系統與版本,使用者也不需要在手機上額外安裝任何 App,不會增加手機的任何功耗,且不用刻意改變手機使用習慣,只要手機連上網路就可以使用。

此外,本系統為工研院資通所研發的獨家技術,只需利用單一基地台即可進行精準定位計算,讓室內定位部署的方式變簡單,其精準度更可達到公分等級,具有高精準度、低成本的特點,工研院的行動終端精準定位技術是未來定位技術發展及運用的不二選擇。工研院的行動終端精準定位技術可協助大型企業環境進行訪客管控、人員管理、禁區管制、數據分析和緊急求救等追蹤應用;對於百貨、飯店與大型公共場所而言,亦將有所幫助,經營者可藉此資訊改善賣場佈局,甚至分析顧客行為,為企業收益帶來極大幅度的成長,商機潛力無限!在未來5G通訊世代中,為了提供更高精度的定位服務,勢必需要整合5G sub-6G Small Cells及mmWave Small Cells,如此一來才能獲取定位所需資訊,以便提供專網應用之Location Management Function(LMF)服務。


總結

目前第五代行動通訊標準仍在訂定的階段,依據不同的使用情境,分別設立了不同的標準目標。針對未來各式各樣的高品質無線多媒體應用及多元化的商業應用,勢必造成高度的行動網路頻寬需求。為因應此種網路情境,下世代行動網路技術其中一個發展目標為更大的網路容量且高頻譜使用效率的技術,期望能夠滿足使用者之需求。

位置導向的定位服務與緊急呼叫服務的應用也日趨廣泛,需要即時性且高精度的定位技術來支援,因此不能單靠全球衛星定位系統來定位,這類的服務應用也促使了行動通訊網路定位技術的演進。

有了精準的定位技術與高寬頻與高容量的5G行動網路當作後援,也能衍生出更多的定位服務應用,交通方面透過精準定位回報,能夠更有效率且精確的決定最佳行車路徑,疏通車流,如果能夠結合自動化駕駛更能夠提高行車安全。路邊停車收費或是腳踏車租借收費的部分,也能透過精準的定位給消費者合理且不失公平的消費體驗。廣告業者更能透過精準定位知道消費者所在位置,再搭配大數據分析,能夠精確分析每名消費者的消費型態,使用最有效率的方式投遞廣告,不但不會造成部分消費者看到廣告的反感,也能提升業者的業績。無人機與無人載具也需要精準的定位才能夠順利且安全的完成任務,不論是救災的救助急難物品投遞或是軍方情蒐都很是需要滿足精準定位需求。

有著明確的消費者需求及商業應用,目前5G行動通訊網路也認真的看待定位議題,3GPP也討論5G行動網路的定位架構、標準協定訂定、5G高精度位置計算方法,推出了NRPPa(NR Positioning Protocol A)及LMF(Location Management Function) Server,能夠有效得向NG-RAN蒐集用戶定位訊息,且輸出精準的定位計算結果到用戶端,實現未來第五代行動通訊在定位的發展目標。


參考文獻

[1] 3GPP TR 22.872, Technical Specification Group Services and System Aspects Study on positioning use cases, v16.0.0

[2] 3GPP TS 38.455 5G NG-RAN NR Positioning Protocol A (NRPPa) v 15.0.0

[3] Yun-Kai Wang, “A Localization-based Beamforming Scheme for LTE/A Systems with Massive Antennas,” July, 2013


文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊