5G网络辅助的GNSS定位性能分析

张建国，韩春娜，周鹏云（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州 3005；.诺基亚上海贝尔股份有限公司，浙江杭州 30053）

0 引言

全球定位导航系统（GNSS——Global Navigation Satellite System）是一种利用卫星进行导航、定位、测量的空间无线定位系统，其基本原理是测量出已知位置的卫星到GNSS 接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据计算出UE 的具体位置。目前在轨运行的GNSS 系统包括美国的GPS 系统、中国的北斗系统（BDS——BeiDou Navigation Satellite System）、俄罗斯的GLONASS以及欧盟的伽利略系统Gallileo［1］。

GNSS定位方法存在2个部分误差。第1部分是系统性的误差，如卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等，这类误差对每一个GNSS 接收机都是公有的，利用差分技术，可以消除系统性误差，根据差分基准站发送的信息方式不同，差分定位分为位置差分、伪距差分和实时动态（RTK——Real-time kinematic）载波相位差分。第2部分是随机发生的误差，如接收机的内部噪声、通道延迟、多径效应等，这部分误差无法系统性消除。

5G网络具有大带宽、低时延的特性，当GNSS通过5G 网络与GNSS 接收机交互信息后，5G 网络可以辅助GNSS 接收机减少初始化时间、增加接收机灵敏度、减少功耗和提高定位精度。

1 5G网络辅助的GNSS定位原理

5G 网络辅助的GNSS 定位有2 种工作模式，基于UE（UE-Based）的GNSS 定位和UE 辅助（UE-Assisted）的GNSS定位。

对于基于UE 的GNSS 定位，UE 中包括完整的GNSS 接收机，位置计算在GNSS 接收机中进行，通过5G 网络传输给GNSS 接收机的信息分为2 类。第一类是星历和时钟模型、历书等信息，这类信息可以减少GNSS 接收机的初始化时间、增加GNSS 接收机灵敏度，因此显著提高测量速度，使得GNSS 接收机能够捕获和跟踪较弱的卫星信号，在较低SNR 条件下也能工作，这类信息的有效时间通常是2～4 h［2］。第2 类是RTK 改正数据和GNSS 物理模式，RTK 改正数据包括RTK 参考站信息、RTK 辅助站数据、RTK 观测值、RTK公共观测信息、RTK MAC（Master Auxiliary Concept）修正差、RTK 残余等，GNSS 物理模式包括状态空间表示（SSR——State Space Representation）轨道修正、SSR 时钟改正、SSR 码字偏差，这类信息与GNSS 接收机的测量信息相结合，可以大幅提高UE 的定位精度，这类信息的有效时间通常是几十秒到几分钟［3］。基于UE 的GNSS 定位的优点是通过5G 网络传输的数据较少，且定位时延较小，缺点是UE 需要增加相应的存储器和计算能力，尤其是RTK 定位，UE 需要增加专用的差分定位模块，增加了UE成本［4］。

对于UE 辅助的GNSS 定位，GNSS 接收机的主要功能在网络侧，UE 位置的计算在定位服务中心进行。定位服务中心可以把时间、可见的卫星列表、卫星信号的多普勒和码相位以及搜索窗口，通过5G网络传输给GNSS 接收机。GNSS 接收机把测量到的码相位和多普勒测量、（可选的）载波相位测量，通过5G 网络上报给定位服务中心。定位服务中心根据RTK 改正数据以及UE 提供的测量数据，计算出UE 的精确位置，然后再通过5G 网络把精确的位置信息反馈给UE。UE 辅助的GNSS 定位的优点是把复杂的数据处理功能交给定位服务中心完成，GNSS 接收机不需要增加额外的计算功能，因此对UE 的要求较低，缺点是时延较大，且上传的数据量较大。

5G 网络辅助的GNSS 定位原理如图1 所示。其中，基准站接收机负责采集GNSS 卫星的测量数据并传送至定位服务中心，定位服务中心用于实时接收基准站接收机的测量数据，进行数据质量分析、处理、评价，提供不同精度等级要求的改正数据，定位服务中心也可以接收GNSS 接收机上报的原始测量数据，完成特定UE的差分定位解算。

图1 5G网络辅助的GNSS定位原理

传统的无线通信网络由于速率较低、时延较大，可以满足基于UE 的GNSS 定位，对于UE 辅助的GNSS定位，只能为静止或者低速移动的UE 提供高精度定位，不能为高速移动的UE提供高精度定位，5G网络具有低时延特性，使得UE 辅助的GNSS 定位为高速移动的UE 提供高精度定位成为可能。本文接下来从定位精度和5G 无线网络负荷2 个方面对UE 辅助的GNSS定位性能进行分析。

2 UE辅助的GNSS定位精度分析

GNSS 的定位精度与定位算法、基准站接收机的位置和数量、RTK 改正数据和GNSS 接收机测量数据的发送频率等都有关系。以GPS 定位为例，民用GPS的定位精度是10～30 m，位置差分、伪距差分的定位精度可以达到米级，RTK 载波相位差分的定位精度可以达到厘米级，本文接下来只考虑由于网络时延造成的定位误差。

GNSS接收机的测量数据通过gNB、AMF发送至定位服务中心，定位服务中心完成差分定位解算后，再通过AMF、gNB 把精确的位置信息发送给GNSS 接收机，总的环回时延由3个部分组成，分别是传输网络的环回时延、设备的处理时间和空口的环回时延。

传输网络的环回时延和GNSS 接收机到定位服务中心的光纤长度有关，GNSS 接收机到定位服务中心的光纤长度是10 km、100 km 和1 000 km 时，传输网络的环回时延分别是0.1 ms、1 ms和10 ms［5］。

设备的处理时间包括定位服务中心、gNB 和AMF的处理时间，定位服务中心的处理时间通常为2 ms，gNB 和AMF 的单次处理时间通常是0.5 ms，因此总的设备处理时间是2+4×0.5 ms=4 ms。

对于eMBB，空口的环回时延与双工方式（FDD 或TDD）、子载波间隔（SCS——Sub-Carrier Spacing）、调度请求（SR——Scheduling Request）周期、数据到达时刻等有关，假设SR 周期=5 ms，对于TDD SCS=30 kHz，平均环回时延是7.75 ms，对于FDD SCS=15 kHz，平均环回时延是10.5 ms；使用预调度技术，对于TDD SCS=30 kHz，平均环回时延是3.3 ms（按SPS=1 ms计算），对于FDD SCS=15 kHz，平均环回时延是4.5 ms（按SPS=1 ms 计算）。对于uRLLC，通过mini-slot、上行免授权、下行资源抢占等技术，平均环回时延可以降低到1 ms以下［6］。

假设GNSS 接收机到定位服务中心的光纤长度是100 km，则传输网络的环回时延是1 ms，eMBB TDD SCS=30 kHz、eMBB FDD SCS=15 kHz 和uRLLC 的平均环回时延分别是7.75 ms、10.5 ms 和1 ms，则总的环回时延分别是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）。

假设UE 的移动速度分别是60 km/h、120 km/h、200 km/h，则由于网络时延造成的定位误差如表1 所示。

从表1可以看出，在不考虑GNSS定位系统本身定位误差的情况下，由于网络时延造成的定位误差均在1 m 以下，满足3GPP 规范和辅助驾驶对高速移动UE的定位精度要求［7-8］。需要说明的是，表1 计算的定位误差是由于网络时延造成的最大定位误差，实际上定位服务中心可结合UE 的移动速度、移动方向、网络时延和高精度地图等数据，对UE 的移动位置进行预测，因此由于网络时延造成的定位误差可以远远小于表1中给出的值。此外，还可以通过低时延的网络结构，如MEC 技术等，减少总的环回时延，进一步提高定位精度。

表1 UE辅助的GNSS定位误差

3 5G无线网络负荷分析

对于下行方向，定位服务中心通过5G 网络向GNSS 接收机传输的信息的有效期通常是几十秒到几分钟，定位服务中心通过5G网络传输的位置信息虽然较为频繁，但是数据量较小，因此UE 辅助的GNSS 定位不会给5G 网络的下行带来严重的负担。对于上行方向，通过5G 网络传输的是GNSS 接收机的原始测量数据，这类数据通常较大，因此会给5G 网络的上行造成较大的负担，本文接下来主要分析上行方向的无线网络负荷。

GNSS 接收机上报的原始测量数据的大小与下列因素有关［9］。

a）GNSS 星座数量：也即GNSS 接收机跟踪测量的是哪一个GNSS 的信号，本文假定GNSS 接收机跟踪测量的是BDS和GPS。

b）GNSS 卫星信号数量NSignal：对于每个GNSS，GNSS 接收机可以上报最多8 个GNSS 信号的测量数据。对于BDS，共计有9 种GNSS 信号类型，GNSS 接收机通常跟踪测量3 个信号，如B1 I、B2 I、B3 I；对于GPS，共计有18 种GNSS 信号类型，GNSS 接收机通常跟踪测量4 个信号，如L1 C/A、L1 P、L2 P、L5 或L1 C/A、L2 Z-tracking、L2C、L5。

c）GNSS 卫星数量NSat：也即GNSS 接收机跟踪测量的卫星数量，对于BDS 和GPS，GNSS 接收机可以分别同时跟踪14 个卫星，在空旷地带的绝大部分地区，能至少分别跟踪9 颗卫星，对于BDS 和GPS，本文假定GNSS接收机分别上报10个卫星的测量数据。

d）GNSS 卫星测量数据：对于每个卫星的每类信号，需要上报的测量数据有卫星地址（8 bit）、卫星信号的载干比（8 bit）、多径指示（2 bit）、载波质量指示（2 bit）、码相位（21 bit）、整数相位（7 bit）、码相位RMS 误差（8 bit）、多普勒测量（16 bit）。除此之外，为了提供高精度定位，根据定位服务中心的请求，GNSS 接收机还可以上报载波相位测量，载波相位测量也称为累加的三角距离（ADR——Accumulated Delta Range），ADR需要25～41 bit。因此GNSS 卫星测量数据NMeas共有113 bit，如果不上报ADR，则卫星测量数据NMeas共有72 bit。

对于每个GNSS，GNSS 接收机一次上报的测量数据NReport可以按照公式（1）计算。

其中，X是LTE 定位协议（LPP——LTE Positioning Protocol）层、NAS层、RRC层、PDCP层、RLC层、MAC层等开销信息的比例，通常是20～30%。

假设开销信息的比例是25%，对于BDS和GPS，一次上报的测量数据分别是3×10×113×（1+25%）=4 238 bit、4×10×113×（1+25%）=5 650 bit，如果BDS 和GPS 的测量数据同时上报，则一次上报的测量数据是9 888 bit。

假设GNSS 接收机上报测量数据的频率是1 Hz，则上报BDS、上报GPS、同时上报BDS 和GPS 的测量数据的速率分别是4.14 kbit/s、5.52 kbit/s 和9.66 kbit/s；假设GNSS 接收机上报测量数据的频率是10 Hz，则上报BDS、上报GPS、同时上报BDS 和GPS 的测量数据的速率分别是41.38 kbit/s、55.18 kbit/s和96.56 kbit/s.

针对上面计算的5G 无线网络负荷，有3 点需要说明。

a）对于eMBB，一次传输几千bit 不会对上行造成太大的负担，但是对于uRLLC，则会对上行造成较大的负担，因为为了保证低时延和高可靠性，uRLLC 单次传输的数据包较小，较大的数据包需要分割成多个较小的数据包后分别传输，相应的增加了空口时延。

b）为了减少UE 上报的测量数据，UE 可以只上报信号最好的4 颗卫星的测量值，并减少上报的卫星信号数量，如对于每个GNSS，只上报2 个卫星信号；另外，在不需要高精度定位的场景下，UE 可以不报告ADR，通过以上措施，UE 上报的测量数据可以减少80%以上。

c）根据目前的3GPP 规范，GNSS 接收机的上报频率较低，当UE 高速移动时，该上报频率满足不了高精度定位要求，因此，为了满足高速移动UE 的高精度定位需求，需要提高上报频率或者采用事件触发的上报方式［9］。

4 结束语

除了通过辅助GNSS，为UE 提供高精度定位外，5G 网络也可以利用自身的无线信号，在不依赖GNSS的情况下，通过可观察到达时间差（OTDOA——Observed Time Difference Of Arrival）、增强小区ID 定位（E-CID——Enhanced Cell ID）等技术为UE 提供定位，虽然其提供的定位精度还达不到GNSS 的水平，但是5G 信号具有大带宽、高SINR 的优势，其提供的定位精度显著高于传统的无线网络，基于5G网络的定位具有广阔的应用空间。