5G定位技术的类型和优势
本文来源：物联传媒
本文作者：银匠
数字社会的发展有两张基础网络：
第一张是移动通信网络，主干是运营商的蜂窝网络，比如4g、5g、nb-iot等，再加上wifi、蓝牙、lora等“支流”，组成万物互联的网络基础。
第二张是定位网络，室外环境主要是卫星定位（gnss），但在室内场景，组建一张大范围覆盖的定位网络一直是一个困扰行业发展的大难题。
难道是因为室内定位技术达不到要求吗？当然不是，目前主流的室内定位技术精度都做到了1m以内，这个精度比gnss要高很多。
既然技术上没问题，那限制定位网络的发展就是产业的问题，其最核心的问题有2点：
第一点：就是谁来建设与运营这张网络。建设与运营一张室内定位网络需要极大的投资，并且后续的运维服务也十分关键，这显然不是一个小企业能搞得定的事情，需要移动、电信、联通这样的运营商级别企业才能做这个事。
三大运营商可以做这个事，但是为什么不去做呢？
那就是第二点的原因，成本与投入产出比。专门为定位建一张网络，投入的成本可能不会比投资一张5g网络少，但是能创造出多大的收益？运营商现在连5g如何回本这个问题都在大伤脑筋，再单独搞定位网络显然不现实。
那如何破局呢？答案就是本文要介绍的5g定位网络。
5g定位其核心思想是5g的通信与定位复用一张网络，这样好处也显而易见。
对于5g网络来说，如果依然只是提供单一通信能力，哪怕它性能很强（高速率、低延时等），但对于大多数用户来说，4g网络足够用，5g再强，属于能力溢出，除非是4g退网，市场上只有5g可以选择，不然的话，仅仅只有高性能的通信能力这一个卖点，不足以让大家都非要用它。
这样的背景之下，5g要推广就需要赋予它更多能力，尤其是之前的技术所不具备的能力，高精度定位能力就是其中的一个重要的突破方向，它对客户的卖点就是：用了5g网络，不只是可以享受强大的通信能力，也能有精准的定位能力，这在b端客户中能满足很多用户的需求。
对于室内定位网络而言，既然单独搞一张网络的方案行不通，那在不增加网络建设成本的基础之上，就让用户享受到了高精度定位网络的能力，这对于整个产业的普及是一件很利好的事情。
所以5g+高精度定位，一张网络多用，是行业发展一种必然的趋势。
接下来，详细介绍一下5g定位这个技术
参考5g应用产业方阵联盟的资料，我们整理了5g高精度定位的一些详细信息。
从5g定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。
基于三角关系的定位技术
这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。
基于场景分析的定位技术
这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。
基于临近关系的定位技术
基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的cell id。假设待定位物体分别位于三个cell中。由于各个cell中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在cell可以粗略确定其位置（即cell中参考点的位置）。
5g时代大量的应用需要精准定位，比如工业agv、资产追踪等，尤其是室内精准定位，为此3gpp r16协议版本于2020年中冻结并将定位能力引入到5g网络标准。除了传统的e-cid、otdoa和utdoa等定位技术，5g定位结合5g宽频谱和多波束的特性，进一步定义和支持了基于蜂窝小区的信号往返时间（multi-rtt）、到达角测量法（ul-aoa）和离开角测量法（dl-aod）等多种定位技术。
5g定位技术优势包括：
1、高载波频率
5g采用高频或者毫米波通信，高频波具有严重的穿透损失性质，所以不会有多路径衰减的干扰；高频电磁波几乎只能以直线路径（line of sight, los）的方式传递，电磁波绕射、散射及反射的干扰问题不大，而直线是最容易计算距离的路径类型。
2、高带宽
5g频谱尤其是毫米波（mmwave）具有移动通讯中前所未有的大带宽，当传输带宽越大，信号的取样间隔越短，毫米波系统便具备较高的原始分辨率，可测量的最小距离越小，代表精确度越高。
3、天线数量极多
5g支持多输入多输出（multi-input multi-output, mimo）技术，在基站设置大规模的多天线数组，利用多根发射天线与多根接收天线的组合提升频谱的效率，提供更多的空间自由度（high degree of resolvability of angles）。更多的讯号角度信息增加，定位的分辨率就能跟着提升，判别更精准的地理位置。
4、网络密度高
由于5g覆盖范围小且容易遭到建筑物遮蔽，如果要达到都市内普及，运营商须大规模部署小型5g基站。高密度基站代表有许多可供参考的资源节点，可以提供高密集度的位置信息达到更精准的定位。
5、室内室外一张网、通信定位一张网
5g室内外一张网（室外5g宏站、室内5g室分站），既可以满足设备终端通信的要求，同时可以实现低功耗高精度定位的应用，一网多用，大幅度降低客户的使用成本。
随着3gpp rel-17版本的冻结，5g定位技术将逐渐走向成熟。
针对一般商用场景，r17定位精度目标从室内3米、室外10米提升到了亚米级，定位的时延要求小于100ms。在工业物联网场景，r17定位精度误差要求小于20cm，定位的时延要求小于10ms。
r17通过优化差分定位降低终端和基站收发时延的影响，支持多路径信号测量上报，辅助信息发送等提高到达角和离开角的测量精度，从而提高定位精度。r17通过定义按需发送的定位导频信号，降低定位测量的请求回应时间、终端测量时间及测量gap激活时间等降低时延。通过支持rrc非激活状态终端的定位测量、信令和流程等降低功耗，并支持gnss定位的完好性判决增强，以及a-gnss定位增强，实现更优的gnss（全球导航卫星系统）辅助定位性能。
5g定位的爆发需要低成本、低功耗的标签芯片
5g高精度的基础网络设施与5g通信传输网络复用，在工业场景中，要实现无死角的5g网络覆盖，需要布设大量的5g小基站，布设间距大约是20-30m，这个密度也足以支撑高精度定位能力对于基站的布设要求。
因此，在不增加网络成本的条件下，5g高精度定位的发展就具有商业可行性，但是早期5g终端芯片产品都集中在高性能方向，价格贵，且功耗高，如果用这样的芯片做定位标签产品，显然很难落地。
所以，5g高精度定位标签产品对芯片的需求是低成本与低功耗，基于这样的市场需求，北京智联安科技有限公司推出的高精定位5g redcap芯片mk8520，在5.12秒的定位周期下，1000mah电池容量可支持终端待机时长长达6-12个月，实现性能，功耗和成本的最佳平衡，满足绝大多数物联网应用中数据传输的需求。
据了解，在2023年10月份，北京智联安与信通院、华为一起宣布完成了5g 蜂窝低功耗高精度定位的关键技术验证，
此次技术验证严格遵循 imt-2020（5g）推进组制定的《5g 蜂窝定位技术要求》和《5g 蜂窝定位测试方法》，采用华为无线 lampsite 基站和入驻式 5g 核心网 lcs（location service）模块，并通过普通 5g 手机终端和使用智联安 5g 低功耗高精度定位芯片的终端进行测试，定位精度最高可达到 0.4 米以内（los 场景）。
总结来说，5g高精度定位技术产业的发展与5g tob的产业路线高度吻合，因此，这个产业的发展也取决于5g在b端行业的发展进度如何。目前技术层面在逐渐成熟，预计在2024年会逐渐有规模化的5g高精度定位落地项目。
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第二张是定位网络，室外环境主要是卫星定位（gnss），但在室内场景，组建一张大范围覆盖的定位网络一直是一个困扰行业发展的大难题。
难道是因为室内定位技术达不到要求吗？当然不是，目前主流的室内定位技术精度都做到了1m以内，这个精度比gnss要高很多。
既然技术上没问题，那限制定位网络的发展就是产业的问题，其最核心的问题有2点：
第一点：就是谁来建设与运营这张网络。建设与运营一张室内定位网络需要极大的投资，并且后续的运维服务也十分关键，这显然不是一个小企业能搞得定的事情，需要移动、电信、联通这样的运营商级别企业才能做这个事。
三大运营商可以做这个事，但是为什么不去做呢？
那就是第二点的原因，成本与投入产出比。专门为定位建一张网络，投入的成本可能不会比投资一张5g网络少，但是能创造出多大的收益？运营商现在连5g如何回本这个问题都在大伤脑筋，再单独搞定位网络显然不现实。
那如何破局呢？答案就是本文要介绍的5g定位网络。
5g定位其核心思想是5g的通信与定位复用一张网络，这样好处也显而易见。
对于5g网络来说，如果依然只是提供单一通信能力，哪怕它性能很强（高速率、低延时等），但对于大多数用户来说，4g网络足够用，5g再强，属于能力溢出，除非是4g退网，市场上只有5g可以选择，不然的话，仅仅只有高性能的通信能力这一个卖点，不足以让大家都非要用它。
这样的背景之下，5g要推广就需要赋予它更多能力，尤其是之前的技术所不具备的能力，高精度定位能力就是其中的一个重要的突破方向，它对客户的卖点就是：用了5g网络，不只是可以享受强大的通信能力，也能有精准的定位能力，这在b端客户中能满足很多用户的需求。
对于室内定位网络而言，既然单独搞一张网络的方案行不通，那在不增加网络建设成本的基础之上，就让用户享受到了高精度定位网络的能力，这对于整个产业的普及是一件很利好的事情。
所以5g+高精度定位，一张网络多用，是行业发展一种必然的趋势。
接下来，详细介绍一下5g定位这个技术
参考5g应用产业方阵联盟的资料，我们整理了5g高精度定位的一些详细信息。
从5g定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。
基于三角关系的定位技术
这种定位技术根据测量得出的数据，利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。
基于场景分析的定位技术
这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。
基于临近关系的定位技术
基于临近关系进行定位的技术原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的cell id。假设待定位物体分别位于三个cell中。由于各个cell中参考点的位置已知，所以根据待定位物体所在cell可以粗略确定其位置（即cell中参考点的位置）。
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5g定位技术优势包括：
1、高载波频率
5g采用高频或者毫米波通信，高频波具有严重的穿透损失性质，所以不会有多路径衰减的干扰；高频电磁波几乎只能以直线路径（line of sight, los）的方式传递，电磁波绕射、散射及反射的干扰问题不大，而直线是最容易计算距离的路径类型。
2、高带宽
5g频谱尤其是毫米波（mmwave）具有移动通讯中前所未有的大带宽，当传输带宽越大，信号的取样间隔越短，毫米波系统便具备较高的原始分辨率，可测量的最小距离越小，代表精确度越高。
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4、网络密度高
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5、室内室外一张网、通信定位一张网
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随着3gpp rel-17版本的冻结，5g定位技术将逐渐走向成熟。
针对一般商用场景，r17定位精度目标从室内3米、室外10米提升到了亚米级，定位的时延要求小于100ms。在工业物联网场景，r17定位精度误差要求小于20cm，定位的时延要求小于10ms。
r17通过优化差分定位降低终端和基站收发时延的影响，支持多路径信号测量上报，辅助信息发送等提高到达角和离开角的测量精度，从而提高定位精度。r17通过定义按需发送的定位导频信号，降低定位测量的请求回应时间、终端测量时间及测量gap激活时间等降低时延。通过支持rrc非激活状态终端的定位测量、信令和流程等降低功耗，并支持gnss定位的完好性判决增强，以及a-gnss定位增强，实现更优的gnss（全球导航卫星系统）辅助定位性能。
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因此，在不增加网络成本的条件下，5g高精度定位的发展就具有商业可行性，但是早期5g终端芯片产品都集中在高性能方向，价格贵，且功耗高，如果用这样的芯片做定位标签产品，显然很难落地。
所以，5g高精度定位标签产品对芯片的需求是低成本与低功耗，基于这样的市场需求，北京智联安科技有限公司推出的高精定位5g redcap芯片mk8520，在5.12秒的定位周期下，1000mah电池容量可支持终端待机时长长达6-12个月，实现性能，功耗和成本的最佳平衡，满足绝大多数物联网应用中数据传输的需求。
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总结来说，5g高精度定位技术产业的发展与5g tob的产业路线高度吻合，因此，这个产业的发展也取决于5g在b端行业的发展进度如何。目前技术层面在逐渐成熟，预计在2024年会逐渐有规模化的5g高精度定位落地项目。
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