如何提高室內(nèi)定位精度并實現(xiàn)室內(nèi)外定位的連續(xù)無縫覆蓋是定位領域急需解決的問題，針對該問題，首先介紹了4G定位的標準與技術，并分析了其特點與不足。然后，分析了面向5G的超密集組網(wǎng)下的定位技術，AOA、TDOA定位技術以及上下行定位技術。最后，指出定位一體化和融合化是未來5G定位發(fā)展的趨勢，進而提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構。

1引言

目前，基于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位技術已經(jīng)廣泛應用。然而，由于建筑物等對衛(wèi)星定位信號的遮擋，導致室內(nèi)定位精度無法滿足其高精度定位要求［1］。當前以室內(nèi)定位為主要訴求點的定位技術，往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點［2-3］。如何提高室內(nèi)定位精度并實現(xiàn)室內(nèi)外定位的連續(xù)無縫覆蓋是定位領域亟待解決的問題。針對該問題，本文首先介紹了面向4G和5G的定位技術，然后分析了5G高精度定位的技術特點;最后提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構。主要從兩個方面來解決5G網(wǎng)絡高精度定位的問題：一是基于5G技術特點提升面向5G的基礎定位精度，使其能夠滿足較大區(qū)域的高精度定位及覆蓋需求;二是融合各種異構定位技術（如Wi-Fi，TBS（Terrestrial Beacon System，地面定位系統(tǒng)）、帶內(nèi)定位以及共頻帶定位等）。本文提出的定位系統(tǒng)網(wǎng)絡架構的主要特點，一是異構，即定位系統(tǒng)包含多種不同的定位技術，因為現(xiàn)有的任何某單一定位技術都無法同時滿足室內(nèi)外覆蓋范圍與定位精度的需求［4］;二是智能融合，即該定位系統(tǒng)不是簡單地對各種定位技術的疊加，而是智能地融合，包含融合信號測量、融合位置估計算法、融合定位決策與反饋等多個層次的融合;三是一體化，即在網(wǎng)絡架構設計層面實現(xiàn)通信網(wǎng)與定位網(wǎng)的一體化，這需要在通信網(wǎng)的基礎上增加相應的定位網(wǎng)元和定位管理網(wǎng)元以及高精度同步網(wǎng)元，一體化可以充分利用現(xiàn)有移動通信網(wǎng)覆蓋范圍大、設備兼容性高等特點。

2面向4G的定位技術

2.1 4G系統(tǒng)定位標準與技術

傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)支持定時提前量定位、增強觀察時間差定位、上行到達時間差定位，但定位精度無法滿足室內(nèi)定位需求［5］。因此，自2016年起，3GPP在R13、R14版本持續(xù)開展針對3G和4G室內(nèi)定位技術增強的研究，增強了RAT（Radio Technology，無線電技術）定位方法，完善了非RAT的室內(nèi)定位方法等。在R14標準版本的定位增強技術包括以下幾方面：

（1）共享PCI（Physical Cell Identifier，物理小區(qū)標識）場景下的OTDOA（Observed Time Difference of Arrival，觀察到達時間差）增強。

R14中，終端能夠區(qū)分共享PCI場景下的不同傳輸節(jié)點，增加了終端側可進行定位測量節(jié)點的個數(shù)，從而提高了定位精確度。

（2）基于定位參考信號的信標

R14引入了只傳輸定位參考信號的傳輸節(jié)點，該特性使得終端能夠識別額外的定位參考信號，從而提高了定位精確度。

（3）定位參考信號結合CRS（Cell Reference Signal，小區(qū)參考信號）進行測量

終端能夠結合定位參考信號和小區(qū)參考信號，獲得RSTD（Reference Signal Time Difference，參考信號時間差測量），從而改善OTDOA精確度。

（4）多徑下的TOA（Time of Arrival，到達時間）

R14中，終端可以將多條路徑下的TOA上報給網(wǎng)絡側，網(wǎng)絡側可以利用該信息，補償由于多徑衰落導致的測量誤差，從而提高了定位精確度。

2.2面向4G定位的特點與不足

R14定位增強技術中，對定位至關重要的同步技術沒有深入研究和標準化，定位性能評估仍然采用通信的方法，因此4G定位精度仍然沒有得到明顯的提高。而且，目前4G的定位主要還是基于單一的定位技術，架構層面缺乏多種定位技術間有機的和深層次的融合，缺乏一種能夠?qū)⒍喾N定位技術融合在一起的、全面的、系統(tǒng)的、層次化的融合定位技術架構。

3面向5G的定位技術

針對目前面向4G移動通信網(wǎng)定位技術的不足，我們接下來將首先分析面向5G定位的主要技術，并指出定位一體化和融合化是未來5G定位發(fā)展的趨勢，然后提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構。

3.1面向5G定位的主要技術

（1）超密集組網(wǎng)下的定位技術

5G超密集組網(wǎng)為高精度室內(nèi)定位提供了網(wǎng)絡基礎［6］，但仍需解決每個射頻單元的可分辨性問題。針對室內(nèi)場景，目前每個RRH（Remote Radio Head，遠端無線射頻單元）只是復制發(fā)送基站的基帶信息。因此終端不能區(qū)分是從哪個遠端無線射頻單元發(fā)來的定位信號，定位技術無法充分利用密集組網(wǎng)的覆蓋優(yōu)勢。因此，如圖1所示，需要在5G室內(nèi)分布系統(tǒng)的每個射頻單元都分配獨立的PRS ID，實現(xiàn)定位信號的可分辨性。

（2）面向5G的TDOA和AOA定位技術

在諸多室內(nèi)定位增強技術中，TDOA（Time Difference of Arrival，信號到達時間差）和AOA（Angle of Arrival，到達角度測距）是兩種基礎的無線定位技術。從理論上分析，一方面，5G采用高頻或者毫米波通信，毫米波通信具有非常好的方向性，可以實現(xiàn)更高精度的測距和測角;另外一方面，5G采用大規(guī)模天線技術，具有更高分辨率的波束，也可以實現(xiàn)更高精度的測距和測角特性［7］。因此，基于AOA的定位方法將比4G具有更高的精度。此外，由于5G采用了低時延、高精度同步等技術，對提升TDOA定位精度也有幫助。下面分別從誤差模型出發(fā)，分析在5G技術下TDOA和AOA兩種基礎定位方法的特性。

通過分析TDOA和AOA兩種定位技術的特點，可在5G定位中，根據(jù)不同的場景，選擇最合適的定位技術，提高綜合定位精度。

（3）面向5G網(wǎng)絡上行定位和下行定位

上行定位和下行定位是4G系統(tǒng)的兩個基本定位方式，而且上行定位曾一度被行業(yè)看好是解決室內(nèi)定位的主要解決方案。上行定位的主要原理是終端發(fā)射定位信號，基站進行檢測定位;下行定位的主要原理是基站發(fā)射定位信號，終端進行檢測定位。兩者在5G網(wǎng)絡下的特點如表2所示。

從表2可以看出，下行定位能夠充分發(fā)揮出5G系統(tǒng)的大帶寬、低時延、大規(guī)模天線陣列等特點。基站的發(fā)射功率比終端大上千倍，借用Massive MIMO的優(yōu)勢，大大提高定位的覆蓋距離，降低定位系統(tǒng)對網(wǎng)絡密度的要求。

3.2面向5G定位網(wǎng)絡架構

要提供高精度的室內(nèi)外一體化定位服務，除了利用5G技術提升基礎定位技術的定位精度外，另外重要的一方面就是需要以5G通信網(wǎng)絡為基礎，充分利用移動網(wǎng)絡的管道和平臺優(yōu)勢，融合各種不同異構定位技術，實現(xiàn)通信和定位一體化。下面分別從一體化和融合的角度闡述面向5G的定位網(wǎng)絡架構：

（1）一體化網(wǎng)絡架構

一體化網(wǎng)絡架構如圖2所示，架構在通信網(wǎng)頻帶內(nèi)，一體化同時支持通信網(wǎng)和定位網(wǎng)，具體來說架構具有以下特點：

1）支持高精度同步網(wǎng)絡。因為目前標準基站之間接口無法支持高精度同步，應此必須增加高精度同步網(wǎng)絡單元;

2）實現(xiàn)了通信網(wǎng)和定位網(wǎng)一體化的目標，分別設計了相應的定位網(wǎng)元和定位管理網(wǎng)元;

3）定位網(wǎng)元可以和基站共站，支持常規(guī)的一體化的通信和定位覆蓋;

4）定位設備也可以以獨立定位設備形態(tài)存在，支持獨立的定位增強覆蓋網(wǎng)絡;

5）可以支持異構定位網(wǎng)，包括帶內(nèi)定位網(wǎng)、共頻帶定位技術、TBS、Wi-Fi等;

6）各種定位網(wǎng)絡支持接入5G網(wǎng)絡，在終端或者定位服務器中進行融合定位。

（2）融合技術架構

異構融合定位系統(tǒng)不是簡單地對各種定位網(wǎng)絡疊加，需要研究各種定位技術的智能融合技術，綜合實現(xiàn)最優(yōu)的定位性能［9］。如圖3所示，智能異構融合定位技術架構具有以下特點：

1）異構一體化融合定位架構：在架構層面建立了異構一體化融合的機制，通過多種有機融合機制，綜合輸出最優(yōu)的定位結果。

2）多層次融合：支持多種基本室內(nèi)外定位技術以及補充定位技術融合;在融合手段上，支持基本定位技術結果融合、各種定位技術測試量的混合算法、預測融合等多個層面的機制以及定位決策與反饋。

3）反饋式融合定位決策機制：融合定位架構包含了實際位置結果估計和預測擬合結果之間反饋決策機制，充分利用空間、預測等智能分析方法，減少異常定位結果，提高定位的可靠性和穩(wěn)定性。

4結束語

智能化社會發(fā)展急需構建低成本、高精度的廣域室內(nèi)外定位服務系統(tǒng)。以超密集組網(wǎng)、超低時延、大規(guī)模陣列天線等技術為代表的5G通信技術為解決這一問題提供了新的基礎。本文分析了4G/5G定位的關鍵技術，充分利用移動通信網(wǎng)的管道和平臺優(yōu)勢以及5G技術特點，創(chuàng)造性地提出了一種面向5G的異構融合一體化定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，為同時解決定位精度和定位覆蓋兩大核心問題提供了一種解決思路。