張建國，韓春娜，周鵬云（.華信咨詢設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 3005；.諾基亞上海貝爾股份有限公司，浙江杭州 30053）

0 引言

全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS——Global Navigation Satellite System）是一種利用衛(wèi)星進行導(dǎo)航、定位、測量的空間無線定位系統(tǒng)，其基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到GNSS 接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)計算出UE 的具體位置。目前在軌運行的GNSS 系統(tǒng)包括美國的GPS 系統(tǒng)、中國的北斗系統(tǒng)（BDS——BeiDou Navigation Satellite System）、俄羅斯的GLONASS以及歐盟的伽利略系統(tǒng)Gallileo［1］。

GNSS定位方法存在2個部分誤差。第1部分是系統(tǒng)性的誤差，如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等，這類誤差對每一個GNSS 接收機都是公有的，利用差分技術(shù)，可以消除系統(tǒng)性誤差，根據(jù)差分基準(zhǔn)站發(fā)送的信息方式不同，差分定位分為位置差分、偽距差分和實時動態(tài)（RTK——Real-time kinematic）載波相位差分。第2部分是隨機發(fā)生的誤差，如接收機的內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等，這部分誤差無法系統(tǒng)性消除。

5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、低時延的特性，當(dāng)GNSS通過5G 網(wǎng)絡(luò)與GNSS 接收機交互信息后，5G 網(wǎng)絡(luò)可以輔助GNSS 接收機減少初始化時間、增加接收機靈敏度、減少功耗和提高定位精度。

1 5G網(wǎng)絡(luò)輔助的GNSS定位原理

5G 網(wǎng)絡(luò)輔助的GNSS 定位有2 種工作模式，基于UE（UE-Based）的GNSS 定位和UE 輔助（UE-Assisted）的GNSS定位。

對于基于UE 的GNSS 定位，UE 中包括完整的GNSS 接收機，位置計算在GNSS 接收機中進行，通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸給GNSS 接收機的信息分為2 類。第一類是星歷和時鐘模型、歷書等信息，這類信息可以減少GNSS 接收機的初始化時間、增加GNSS 接收機靈敏度，因此顯著提高測量速度，使得GNSS 接收機能夠捕獲和跟蹤較弱的衛(wèi)星信號，在較低SNR 條件下也能工作，這類信息的有效時間通常是2～4 h［2］。第2 類是RTK 改正數(shù)據(jù)和GNSS 物理模式，RTK 改正數(shù)據(jù)包括RTK 參考站信息、RTK 輔助站數(shù)據(jù)、RTK 觀測值、RTK公共觀測信息、RTK MAC（Master Auxiliary Concept）修正差、RTK 殘余等，GNSS 物理模式包括狀態(tài)空間表示（SSR——State Space Representation）軌道修正、SSR 時鐘改正、SSR 碼字偏差，這類信息與GNSS 接收機的測量信息相結(jié)合，可以大幅提高UE 的定位精度，這類信息的有效時間通常是幾十秒到幾分鐘［3］?；赨E 的GNSS 定位的優(yōu)點是通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較少，且定位時延較小，缺點是UE 需要增加相應(yīng)的存儲器和計算能力，尤其是RTK 定位，UE 需要增加專用的差分定位模塊，增加了UE成本［4］。

對于UE 輔助的GNSS 定位，GNSS 接收機的主要功能在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，UE 位置的計算在定位服務(wù)中心進行。定位服務(wù)中心可以把時間、可見的衛(wèi)星列表、衛(wèi)星信號的多普勒和碼相位以及搜索窗口，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸給GNSS 接收機。GNSS 接收機把測量到的碼相位和多普勒測量、（可選的）載波相位測量，通過5G 網(wǎng)絡(luò)上報給定位服務(wù)中心。定位服務(wù)中心根據(jù)RTK 改正數(shù)據(jù)以及UE 提供的測量數(shù)據(jù)，計算出UE 的精確位置，然后再通過5G 網(wǎng)絡(luò)把精確的位置信息反饋給UE。UE 輔助的GNSS 定位的優(yōu)點是把復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能交給定位服務(wù)中心完成，GNSS 接收機不需要增加額外的計算功能，因此對UE 的要求較低，缺點是時延較大，且上傳的數(shù)據(jù)量較大。

5G 網(wǎng)絡(luò)輔助的GNSS 定位原理如圖1 所示。其中，基準(zhǔn)站接收機負責(zé)采集GNSS 衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)并傳送至定位服務(wù)中心，定位服務(wù)中心用于實時接收基準(zhǔn)站接收機的測量數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、處理、評價，提供不同精度等級要求的改正數(shù)據(jù)，定位服務(wù)中心也可以接收GNSS 接收機上報的原始測量數(shù)據(jù)，完成特定UE的差分定位解算。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)輔助的GNSS定位原理

傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)由于速率較低、時延較大，可以滿足基于UE 的GNSS 定位，對于UE 輔助的GNSS定位，只能為靜止或者低速移動的UE 提供高精度定位，不能為高速移動的UE提供高精度定位，5G網(wǎng)絡(luò)具有低時延特性，使得UE 輔助的GNSS 定位為高速移動的UE 提供高精度定位成為可能。本文接下來從定位精度和5G 無線網(wǎng)絡(luò)負荷2 個方面對UE 輔助的GNSS定位性能進行分析。

2 UE輔助的GNSS定位精度分析

GNSS 的定位精度與定位算法、基準(zhǔn)站接收機的位置和數(shù)量、RTK 改正數(shù)據(jù)和GNSS 接收機測量數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率等都有關(guān)系。以GPS 定位為例，民用GPS的定位精度是10～30 m，位置差分、偽距差分的定位精度可以達到米級，RTK 載波相位差分的定位精度可以達到厘米級，本文接下來只考慮由于網(wǎng)絡(luò)時延造成的定位誤差。

GNSS接收機的測量數(shù)據(jù)通過gNB、AMF發(fā)送至定位服務(wù)中心，定位服務(wù)中心完成差分定位解算后，再通過AMF、gNB 把精確的位置信息發(fā)送給GNSS 接收機，總的環(huán)回時延由3個部分組成，分別是傳輸網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回時延、設(shè)備的處理時間和空口的環(huán)回時延。

傳輸網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回時延和GNSS 接收機到定位服務(wù)中心的光纖長度有關(guān)，GNSS 接收機到定位服務(wù)中心的光纖長度是10 km、100 km 和1 000 km 時，傳輸網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回時延分別是0.1 ms、1 ms和10 ms［5］。

設(shè)備的處理時間包括定位服務(wù)中心、gNB 和AMF的處理時間，定位服務(wù)中心的處理時間通常為2 ms，gNB 和AMF 的單次處理時間通常是0.5 ms，因此總的設(shè)備處理時間是2+4×0.5 ms=4 ms。

對于eMBB，空口的環(huán)回時延與雙工方式（FDD 或TDD）、子載波間隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）、調(diào)度請求（SR——Scheduling Request）周期、數(shù)據(jù)到達時刻等有關(guān)，假設(shè)SR 周期=5 ms，對于TDD SCS=30 kHz，平均環(huán)回時延是7.75 ms，對于FDD SCS=15 kHz，平均環(huán)回時延是10.5 ms；使用預(yù)調(diào)度技術(shù)，對于TDD SCS=30 kHz，平均環(huán)回時延是3.3 ms（按SPS=1 ms計算），對于FDD SCS=15 kHz，平均環(huán)回時延是4.5 ms（按SPS=1 ms 計算）。對于uRLLC，通過mini-slot、上行免授權(quán)、下行資源搶占等技術(shù)，平均環(huán)回時延可以降低到1 ms以下［6］。

假設(shè)GNSS 接收機到定位服務(wù)中心的光纖長度是100 km，則傳輸網(wǎng)絡(luò)的環(huán)回時延是1 ms，eMBB TDD SCS=30 kHz、eMBB FDD SCS=15 kHz 和uRLLC 的平均環(huán)回時延分別是7.75 ms、10.5 ms 和1 ms，則總的環(huán)回時延分別是1+4+7.75=12.75 ms（eMBB TDD SCS=30 kHz）、1+4+10.5=15.5 ms（eMBB FDD SCS=15 kHz）和1+4+1=6 ms（uRLLC）。

假設(shè)UE 的移動速度分別是60 km/h、120 km/h、200 km/h，則由于網(wǎng)絡(luò)時延造成的定位誤差如表1 所示。

從表1可以看出，在不考慮GNSS定位系統(tǒng)本身定位誤差的情況下，由于網(wǎng)絡(luò)時延造成的定位誤差均在1 m 以下，滿足3GPP 規(guī)范和輔助駕駛對高速移動UE的定位精度要求［7-8］。需要說明的是，表1 計算的定位誤差是由于網(wǎng)絡(luò)時延造成的最大定位誤差，實際上定位服務(wù)中心可結(jié)合UE 的移動速度、移動方向、網(wǎng)絡(luò)時延和高精度地圖等數(shù)據(jù)，對UE 的移動位置進行預(yù)測，因此由于網(wǎng)絡(luò)時延造成的定位誤差可以遠遠小于表1中給出的值。此外，還可以通過低時延的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如MEC 技術(shù)等，減少總的環(huán)回時延，進一步提高定位精度。

表1 UE輔助的GNSS定位誤差

3 5G無線網(wǎng)絡(luò)負荷分析

對于下行方向，定位服務(wù)中心通過5G 網(wǎng)絡(luò)向GNSS 接收機傳輸?shù)男畔⒌挠行谕ǔＪ菐资氲綆追昼?，定位服?wù)中心通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈恢眯畔㈦m然較為頻繁，但是數(shù)據(jù)量較小，因此UE 輔助的GNSS 定位不會給5G 網(wǎng)絡(luò)的下行帶來嚴重的負擔(dān)。對于上行方向，通過5G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖荊NSS 接收機的原始測量數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)通常較大，因此會給5G 網(wǎng)絡(luò)的上行造成較大的負擔(dān)，本文接下來主要分析上行方向的無線網(wǎng)絡(luò)負荷。

GNSS 接收機上報的原始測量數(shù)據(jù)的大小與下列因素有關(guān)［9］。

a）GNSS 星座數(shù)量：也即GNSS 接收機跟蹤測量的是哪一個GNSS 的信號，本文假定GNSS 接收機跟蹤測量的是BDS和GPS。

b）GNSS 衛(wèi)星信號數(shù)量NSignal：對于每個GNSS，GNSS 接收機可以上報最多8 個GNSS 信號的測量數(shù)據(jù)。對于BDS，共計有9 種GNSS 信號類型，GNSS 接收機通常跟蹤測量3 個信號，如B1 I、B2 I、B3 I；對于GPS，共計有18 種GNSS 信號類型，GNSS 接收機通常跟蹤測量4 個信號，如L1 C/A、L1 P、L2 P、L5 或L1 C/A、L2 Z-tracking、L2C、L5。

c）GNSS 衛(wèi)星數(shù)量NSat：也即GNSS 接收機跟蹤測量的衛(wèi)星數(shù)量，對于BDS 和GPS，GNSS 接收機可以分別同時跟蹤14 個衛(wèi)星，在空曠地帶的絕大部分地區(qū)，能至少分別跟蹤9 顆衛(wèi)星，對于BDS 和GPS，本文假定GNSS接收機分別上報10個衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)。

d）GNSS 衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)：對于每個衛(wèi)星的每類信號，需要上報的測量數(shù)據(jù)有衛(wèi)星地址（8 bit）、衛(wèi)星信號的載干比（8 bit）、多徑指示（2 bit）、載波質(zhì)量指示（2 bit）、碼相位（21 bit）、整數(shù)相位（7 bit）、碼相位RMS 誤差（8 bit）、多普勒測量（16 bit）。除此之外，為了提供高精度定位，根據(jù)定位服務(wù)中心的請求，GNSS 接收機還可以上報載波相位測量，載波相位測量也稱為累加的三角距離（ADR——Accumulated Delta Range），ADR需要25～41 bit。因此GNSS 衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)NMeas共有113 bit，如果不上報ADR，則衛(wèi)星測量數(shù)據(jù)NMeas共有72 bit。

對于每個GNSS，GNSS 接收機一次上報的測量數(shù)據(jù)NReport可以按照公式（1）計算。

其中，X是LTE 定位協(xié)議（LPP——LTE Positioning Protocol）層、NAS層、RRC層、PDCP層、RLC層、MAC層等開銷信息的比例，通常是20～30%。

假設(shè)開銷信息的比例是25%，對于BDS和GPS，一次上報的測量數(shù)據(jù)分別是3×10×113×（1+25%）=4 238 bit、4×10×113×（1+25%）=5 650 bit，如果BDS 和GPS 的測量數(shù)據(jù)同時上報，則一次上報的測量數(shù)據(jù)是9 888 bit。

假設(shè)GNSS 接收機上報測量數(shù)據(jù)的頻率是1 Hz，則上報BDS、上報GPS、同時上報BDS 和GPS 的測量數(shù)據(jù)的速率分別是4.14 kbit/s、5.52 kbit/s 和9.66 kbit/s；假設(shè)GNSS 接收機上報測量數(shù)據(jù)的頻率是10 Hz，則上報BDS、上報GPS、同時上報BDS 和GPS 的測量數(shù)據(jù)的速率分別是41.38 kbit/s、55.18 kbit/s和96.56 kbit/s.

針對上面計算的5G 無線網(wǎng)絡(luò)負荷，有3 點需要說明。

a）對于eMBB，一次傳輸幾千bit 不會對上行造成太大的負擔(dān)，但是對于uRLLC，則會對上行造成較大的負擔(dān)，因為為了保證低時延和高可靠性，uRLLC 單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包較小，較大的數(shù)據(jù)包需要分割成多個較小的數(shù)據(jù)包后分別傳輸，相應(yīng)的增加了空口時延。

b）為了減少UE 上報的測量數(shù)據(jù)，UE 可以只上報信號最好的4 顆衛(wèi)星的測量值，并減少上報的衛(wèi)星信號數(shù)量，如對于每個GNSS，只上報2 個衛(wèi)星信號；另外，在不需要高精度定位的場景下，UE 可以不報告ADR，通過以上措施，UE 上報的測量數(shù)據(jù)可以減少80%以上。

c）根據(jù)目前的3GPP 規(guī)范，GNSS 接收機的上報頻率較低，當(dāng)UE 高速移動時，該上報頻率滿足不了高精度定位要求，因此，為了滿足高速移動UE 的高精度定位需求，需要提高上報頻率或者采用事件觸發(fā)的上報方式［9］。

4 結(jié)束語

除了通過輔助GNSS，為UE 提供高精度定位外，5G 網(wǎng)絡(luò)也可以利用自身的無線信號，在不依賴GNSS的情況下，通過可觀察到達時間差（OTDOA——Observed Time Difference Of Arrival）、增強小區(qū)ID 定位（E-CID——Enhanced Cell ID）等技術(shù)為UE 提供定位，雖然其提供的定位精度還達不到GNSS 的水平，但是5G 信號具有大帶寬、高SINR 的優(yōu)勢，其提供的定位精度顯著高于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，基于5G網(wǎng)絡(luò)的定位具有廣闊的應(yīng)用空間。