1.3 蜂窝网络定位技术的演进过程

第一代蜂窝移动通信系统利用模拟信号进行通信，没有统一的、标准化的定位方法，实现定位功能需要单独加装专用于定位的设备。例如，TruePosition公司通过在美国的高级移动电话系统（AMPS）上加装特殊设备实现基于上行信号的到达时间差（TDOA）测量与终端位置估计。该方案在基站侧安装信号接收机，监听终端发送的特定信号并记录信号到达基站的时间，将不同基站间的信号到达时间相减获得TDOA测量量，并对终端进行定位，定位精度约为190m。

从2G蜂窝移动通信系统向5G蜂窝移动通信系统演进的蜂窝网络定位技术标准如图1-2所示。

图1-2 蜂窝网络的定位技术演进过程

2G时代，FCC出于对公共安全的考虑，在1996年颁布了E911法案，要求电信运营商必须在为用户提供应急呼叫的条件下，提供至少150m精度的定位服务，从而推动为专用于移动通信的2G蜂窝网络制定的定位方法标准，进行通信和定位功能的融合。其中，具有代表性的定位方法包括小区标识（Cell-ID）、Cell-ID与定时提前量（TA）联合定位、UL-TDOA和增强观测时间差（E-OTD）。Cell-ID将当前终端接入的小区位置作为用户设备（UE）的最终定位位置，定位精度往往较低。针对2G的GSM网络时分多址（TDMA）接入的特点，TA也可用来辅助定位。例如，TA与Cell-ID相结合，并通过将小区天线方向与TA相结合，再利用已知的小区坐标，可以解算出用户的位置坐标。然而，此类方案受到小区大小与TA测量精度的影响，通常定位精度只能达到百米量级。UL-TDOA与E-OTD的引入使得蜂窝网络的定位精度得到了明显的提升。对于UL-TDOA，小区通过测量UE在随机接入信道中的突发脉冲来测量到达时间。对于E-OTD,UE通过接收小区发送的广播控制信道来测量到达时间。

第三代（3G）移动通信系统的通用移动通信系统（UMTS）网络标准仍然支持Cell-ID定位方法，并支持通过测量下行专用物理控制信道和上行专用物理控制信道的信号到达时间实现RTT的定位方法。此外，UMTS还定义了观测到达时间差（OTDOA）定位方法，由基站进行信号广播，UE接收不同基站的公共导频信道并记录信号到达时间差以解算定位结果，定位误差在几十米量级。此外，cdma2000网络标准沿用了IS-95的高级前向链路三边测量（AFLT）定位方法，定位精度为几十米量级。中国提出的时分同步码分多址（TD-SCDMA）网络标准支持Cell-ID 和OTDOA定位方法，定位精度与UMTS网络接近。

如上所述，2G和3G蜂窝网络的定位技术完全复用移动通信系统的导频或控制信号，没有定义专用的定位参考信号，定位精度有限。

第四代（4G）移动通信系统也被称为长期演进（LTE）系统。4G与2G/3G蜂窝网络相比，最大的不同在于3GPP在Release 9标准版本中定义了专用的定位参考信号（PRS），并且专门配置了PRS时频资源。PRS采用一组经过四相移相键控（QPSK）调制的Gold伪随机序列，在资源映射过程中对于PRS所映射到的资源单元采用梳状结构排列，每个OFDM符号的梳状尺寸均为6。UE通过接收相邻基站发送的PRS估计相邻基站的到达时间差并进行定位，即OTDOA定位方法。LTE最大可使用的20MHz带宽将定位精度提升至几十米的量级。此外，由于大规模天线的引入，AoA的精度有所提升，在4G通信系统中，基于RTT与AoA的E-CID方案的定位精度得到了进一步提升。

综上所述，虽然4G蜂窝网络比2G和3G蜂窝网络更加注重定位功能并设计了专用的定位参考信号，但是由于4G信号带宽最大仅为20MHz，并且基站间距在百米级，因此定位精度仍然难以满足米级的高精度定位需求。

随着工业物联网和位置服务应用的发展，5G通信系统对UE的定位精度性能提出了比4G通信系统更严格的指标。例如，3GPP技术规范（TS）22.261为此专门定义了7个定位性能级别，水平绝对定位精度要求从最低10m到最高0.3m，垂直绝对定位精度要求从最低3m到最高2m。其中，为了满足5G通信系统的定位需求，5G通信系统同时支持5G无线接入技术（RAT-dependent）和独立于5G无线接入技术（RAT-independent）的定位技术。与基于4G信号的RAT-dependent定位技术相比，基于5G NR信号的RAT-dependent定位技术具有其独特的优势，包括5G NR比4G LTE支持更大的载波信号带宽（其中，低于6GHz频段可支持100MHz信号带宽，高于6GHz的毫米波频段支持400MHz信号带宽），支持更大规模的天线技术。这些技术优势有利于提高5G通信系统的定位精度。

3GPP 5G NR定位技术标准化的技术框图如图1-3所示。3GPP Release 15支持基于4G的全部RAT-dependent定位技术，以及4G所支持的各种RAT-independent定位技术（例如，A-GNSS定位、蓝牙定位、无线局域网定位、传感器定位等）。3GPP Release 16完成了基于5G NR信号的第一个正式版本的标准化工作，定义了5G定位参考信号、定位测量量和定位上报等相关流程及接口信令，支持6种基于5G NR的RATdependent定位技术。为了获取比3GPP Release 16更高的定位精度和更低的定位时延，3GPP Release 17研究了影响高精度定位的因素，并且完成了消除UE和基站收/发定时误差、非视距/多径影响、提升UL-AoA和DL-AoD的定位精度的标准化工作。5G增强（5G-Advance）通信系统针对垂直行业等新应用场景提出了厘米级的高精度定位需求、基于直通链路的相对定位和测距需求、低功耗高精度定位需求和基于蜂窝网络的定位完好性功能需求等。为了满足上述需求及支持更多应用场景中的定位，在Release 18定位研究项目中，3GPP正在开展7个方面的研究工作，包括直通链路定位、NR载波相位定位、载波聚合定位、低功耗高精度定位、人工智能（AI）定位、低能力等级终端定位和蜂窝网络定位完好性等。

图1-3 3GPP 5G NR定位技术标准化的技术框图