[论文解读] 5G NR Positioning Enhancements in 3GPP Release-18

Hyun-Su Cha, Gilsoo Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2024

Wireless Communication Networks Research被引用 4

一句话总结

本文介绍了3GPP Release-18在5G NR定位方面的主要进展，引入了基于载波相位的厘米级精度定位技术，适用于5G-Advanced网络，通过带宽聚合提升时间测量精度，利用频率跳变支持RedCap用户设备（UE），实现低功耗高精度定位（LPHAP），并引入侧链路（sidelink）定位。这些增强功能使工业物联网、智慧城市和车联网应用能够实现超精准、无需依赖GNSS的定位服务。

ABSTRACT

New radio (NR) positioning in the Third Generation Partnership Project (3GPP) Release 18 (Rel-18) enables 5G-advanced networks to achieve ultra-high accuracy positioning without dependence on global navigation satellite systems (GNSS) with key enablers such as the carrier phase positioning technique, standardized for the first time in a cellular communications standard and setting a new baseline for future generations. In addition, Rel-18 NR supports positioning functionalities for reduced capability (RedCap) user equipment and bandwidth aggregation for positioning measurements. Moreover, the low power solutions are designed for low power high accuracy positioning use cases. Lastly, sidelink-based positioning is introduced in Rel-18. This article constitutes a comprehensive treatment of the Rel-18 NR positioning enhancements crucial for the development of next-generation networks.

研究动机与目标

• 在5G-Advanced网络中实现无需依赖GNSS的厘米级定位精度。
• 通过引入频率跳变技术，解决受限能力（RedCap）用户设备（UE）在定位中的局限性，即使在带宽受限条件下也能提升测量精度。
• 通过扩展eDRX和多小区SRS支持，为大规模IIoT用例提供低功耗、高精度定位，延长电池寿命。
• 引入侧链路（SL）定位，扩展定位覆盖范围至脱网UE，并通过与蜂窝链路的混合定位技术提升定位精度。
• 在3GPP标准中制定新型定位技术，包括载波相位、SL-TDOA、SL-RTT和SL-AoA，以支持面向未来的高精度定位服务。

提出的方法

• 通过下行参考信号（RS）相位测量实现载波相位定位，利用公式 $ d = \lambda N + \phi_{DL} $ 估算距离，在有利传播条件下实现厘米级精度。
• 通过组合多个同频连续分量载波（CC）实现定位用的带宽聚合，突破单个CC的带宽限制，提升时间测量的分辨率。
• 通过SRS频率跳变实现RedCap UE定位，使UE可在子带间跳变，从而在20 MHz（FR1）或100 MHz（FR2）带宽限制下仍保持测量精度。
• 引入扩展的不连续接收（eDRX）和多小区SRS支持，降低功耗，延长LPHAP用例的电池寿命。
• 通过SL PRS和SL定位协议（SLPP）定义侧链路定位，用于交换测量值和同步信息，支持D2D链路上的TDOA、RTT和AoA技术。
• 引入天线参考点（ARP）概念，支持来自多个天线面板的ARP特定测量报告，提升车辆和多天线场景下的定位估计精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 5G NR如何在5G-Advanced网络中实现无需GNSS的厘米级定位精度？
• RQ2 哪些技术可克服RedCap UE的带宽限制，以维持高精度定位？
• RQ3 如何为具有长电池寿命需求的大规模IIoT部署实现低功耗、高精度定位？
• RQ4 在V2X和脱网场景中，实现可靠高效侧链路定位的关键机制是什么？
• RQ5 在侧链路定位中，如何管理跨多个天线面板和多种同步源的测量报告与同步？

主要发现

• 首次在蜂窝标准中标准化载波相位定位技术，在有利无线条件下可实现厘米级定位精度。
• 定位用的带宽聚合可突破单个分量载波的带宽限制，实现有效带宽扩展，提升时间测量的分辨率和精度。
• 频率跳变使RedCap UE在20 MHz（FR1）或100 MHz（FR2）带宽限制下仍能实现满意的定位精度。
• 扩展的eDRX和多小区SRS支持可使LPHAP用例的电池寿命延长至一年，满足工业应用需求。
• 引入侧链路定位，支持SL-TDOA、SL-RTT和SL-AoA技术，实现混合定位和脱网运行。
• ARP特定的测量报告通过将测量值与特定天线面板关联，有效减少空间分离带来的误差，提升定位估计精度。