中移智库：中国移动5G高精定位能力白皮书

“智简 5G”系列白皮书 中国移动 5G 高精定位能力 白皮书 （2021 年） 中国移动通信有限公司研究院 1 / 20 联合编写单位及作者 编写单位及主要作者（排名不分先后）： 中国移动通信有限公司研究院：丁海煜，王锐，张龙，王东，王昕怡， 程锦霞 中国移动通信集团广东有限公司：蔡伟文、罗伟民、陈其铭、庄沛升、 朱立标，陈波 中移（上海）产业研究院：梁善婧、王牧云、蔡川、郭卫江 华为技术有限公司：夏苏华，王奇，吴敏 中兴通讯股份有限公司：张寿勇，王红欣，赵琼鹰，蓝剑 2 / 20 前 言 随着 5G 网络部署速度的加快，5G 渗透率也在快速提升。在强大 的网络能力支持下，用“一张网”同时解决通信与定位两个关键问题 的行业诉求也越来越迫切。 中国移动 5G 高精定位的总体策略包含 5G 基站高精定位与 5G+泛 无线高精定位两部分。本白皮书聚焦 5G 基站高精定位，期望与业界 探讨我们对该议题的思考。 本白皮书从垂直行业的一线落地项目调研出发，首先从广域与局 域两方面给出现阶段需求旺盛或已有试点落地的典型应用场景；其次， 介绍使能 5G 基站高精定位的关键技术及演进方向；再次，针对广域 与局域场景的不同诉求，给出适配行业诉求的定位架构；最后，介绍 近期部分定位试点，以及对定位端到端路标的一些思考。中国移动向 产业表明对 5G 基站高精定位的发展规划与技术判断，旨在呼吁产业 界共同努力，加快对关键使能技术以及局域架构的支持，推动端到端 产业成熟，助力我国 5G 的全面引领。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不 得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 3 / 20 目录 1 定位需求 .............................................................................................................................5 1.1 广域场景需求......................................................................................................................5 1.1.1 智慧物联 ............................................................................................................5 1.1.2 智慧警务 ............................................................................................................5 1.2 局域场景需求......................................................................................................................6 1.2.1 智能制造 ............................................................................................................6 1.2.2 智慧化工 ............................................................................................................7 1.2.3 智慧商超 ............................................................................................................7 1.3 需求小结 .............................................................................................................................8 2 定位架构 ...........................................................................................................................10 2.1 广域定位架构....................................................................................................................10 2.2 局域定位架构....................................................................................................................11 3 定位关键使能技术与演进方向......................................................................................... 12 3.1 关键使能技术....................................................................................................................12 3.1.1 UTDOA.................................................................................................................12 3.1.2 AOA.....................................................................................................................12 3.1.3 RTT.....................................................................................................................13 3.2 演进方向 ...........................................................................................................................13 4 定位路标 ...........................................................................................................................15 4.1 技术/架构路标..................................................................................................................15 4.2 定位业务平台路标 ............................................................................................................15 5 现网（试点）案例 ............................................................................................................ 17 5.1 智慧商超 ...........................................................................................................................17 5.2 交通枢纽 ...........................................................................................................................17 5.3 智慧园区 ...........................................................................................................................18 6 总结和展望 .......................................................................................................................19 参考文献 ...........................................................................................................................................20 4 / 20 1 定位需求 随着智慧化浪潮的兴起，垂直行业对定位的需求日益迫切。2020 年 6 月冻 结的 3GPP Rel-16 版本中，引入了 5G 基站定位功能。R16 的设计目标为室内水 平维和垂直维定位精度均小于 3m（区域内 80%用户），端到端时延小于 1s。 行业的定位场景，主要分为两大类：广域定位场景和局域定位场景。广域场 景里最典型的应用就是老人/小孩等定位，以及部分警务车/出警人员等的定位。 局域场景是定位的强需求场景，最典型的就是制造工厂里人/车/物/料的管理以 及化工厂里高危区域安全管理等。 1.1 广域场景需求 1.1.1 智慧物联 智慧物联中定位的典型场景主要为老人/小孩定位、宠物跟踪等。该场景对 功耗敏感，待机时长要求较高。 老人定位：随着社会老龄化人口快速增加，老年人（尤其是失能老人）的看 护，变成了一个需要全社会关注的重要课题。当前部分地方政府已经在通过门控、 水龙头监控等方式来识别老人健康状态。未来可以通过定位、监控、通信一体化 智能手环，解决老人防走失、健康监控、及时求助等问题。该场景定位精度要求 达到 3 米，待机时长 1 个月。 宠物跟踪：当前猫狗宠物数在 1.5 亿以上，大量走失成为流浪猫狗。定位成 为宠物跟踪防走失的关键刚需。该场景要求定位精度达到 3 米，电池要求 3 个月 以上。 1.1.2 智慧警务 智慧警务对于 5G 定位的需求，主要集中在接警处理、警员出警和指挥控制 调度。 110/119 报警人定位：呼叫中心在接到报警电话时，结合定位和 GIS，可以 直接在地图上显示报警人位置，节省位置询问时间，同时也可以指导出警人迅速 5 / 20 抵达现场。该场景要求定位精度 10~30 米，由报警电话触发，不需要特殊定位终 端，基于报警人的手机进行定位。 消防队员安全定位：在火场环境下，精确跟踪消防员的位置，并实现消防员 和后场监控系统之间的信息传递，保护消防员的生命安全。该场景定位精度要求 1 米。定位频率为 1 次/秒，要求终端尺寸小、功耗低，待机时间至少为 60 天。 警务车/巡逻民警定位：结合 GIS 地图实时显示警务车和巡逻民警的位置状 态，可以实现警力分布的宏观统计，指挥中心根据警情实时指挥调度警务车和距 离事发地最近的巡逻民警出警。该场景要求定位精度 3~5 米左右，定位频率为 1 次/分钟，要求定终端尺寸小、功耗低，待机时间至少为 90 天。 1.2 局域场景需求 1.2.1 智能制造 智能制造工厂业务数据流复杂，园区面积大、涉及人员、设备众多，人员/ 物料定位是强需求，定位精度要求 3~5 米，且对数据安全较敏感，要求数据不出 园区。工厂可借助定位技术，实现对工厂内的人、车、物、料等的精确定位、无 缝追踪、智能调配与高效协同，大幅提升工厂的生产效率及精细化管理水平。 图1 智能制造典型定位需求 人员位置的管理：快速了解员工的分布，提高调度管理效率；同时可以基于 人的位置，对特定区域的不当进入进行报警处理，提升园区的安全。 物资的位置管理：基于位置做生产过程追溯，实现对每个产品生产流转过程 （包括订单接收、确认产品 ID、生产组装、测试、厂内仓储、厂外物流等环节） 的全程追溯及作业过程的高度透明化，规范作业流程的同时，大幅提高作业效率； AGV 自动路线规划导航服务：AGV 自动牵引小车，根据位置信息进行路线规 划与自动驾驶，极大提升 AGV 运营效率； 智能制造作业场景对定位技术的抗干扰、抗遮挡能力要求较高，且定位终端 6 / 20 主要面向设备和企业员工，终端功耗较敏感。 1.2.2 智慧化工 化工园区，危险区域比较多，对人员定位是强需求，定位精度要求3~5米， 且对数据安全较敏感，要求数据不出园区。同时化工园区安全性要求高，施工难， 后续新增电气设备以及铺设线路安全评估周期长，施工会导致停工停产，需提早 规划具备位置能力。 图2 智慧化工典型定位需求 人员位置的管理：为园区提供电子考勤，提升管理效率； 电子围栏：若工作人员误入危险区域，及时进行越界告警，保障员工的人身 安全； 一键报警：根据定位终端的位置以及动态预测，检测当前用户的状态。当检 测用户标签位置异于历史位置，或者一直处于静止态，则系统触发告警，保障人 员/设备安全。 1.2.3 智慧商超 商超作为最重要的室内商业环境之一，室内定位技术将为其智慧化转型提供 重要支撑，主要特点是定位终端在消费者侧，要求定位终端具有通用性，定位精 度要求 1~3 米，可以定位到车位或者商超店铺区域。 对于商超管理经营者来说，通过室内定位技术，可以为其提供基于位置大数 据商业分析工具，为商场提供客流动线、停留时长、到访频次等分析核心信息， 提升管理商场经营管理水平。 7 / 20 图3 商超管理经营者位置服务：到店客流监测、用户数据分析 对于店铺管理经营者来说，基于位置服务可为其提供会员到达提醒，优惠活 动触达客户等，提升店铺经营效率。 图4 店铺管理经营者位置服务：到达提醒，优惠活动 针对消费者来说，基于位置服务可为其提供商场定位、导航、导购服务，以 及停车、寻车服务，提升用户的体验。 图5 个人位置服务：商品推送、定位导航、反向寻车 1.3 需求小结 综上所述，典型行业定位场景的定位需求归纳如表 1。从场景、需求可以看 出，不同行业、不同业务对于定位的精度、功耗等需求差异巨大，定位网络、定 位技术的选择需要与不同的需求进行适配。 表1 典型行业定位场景需求 8 / 20 场景分 类 广域场 景 局域场 景 典型场 景 智慧物 联 智慧警 务 智能制 造 智慧化 工 智慧商 超 行业应用 老人定位 定位精 度需求 3米 宠物跟踪 3米 110/119 报警人 定位 10~30 米 消防队员安全定 1米 位 警务车/巡逻民警 定位 人员的位置管理 物资的位置管理 AGV 自动路线规 划导航服务 人员位置管理 电子围栏、一键报 警 产品推送及智慧 运营 客流分析及商场 管理 导航导购及停车 寻车 3~5 米 3~5 米 3~5 米 3~5 米 3~5 米 1-3 米 终端需求 形态 续航 穿戴设备 小型标签 报警人手 机 嵌入消防 头盔或消 防鞋 1 个月 3 个月以 上 无 >60 天 穿戴设备 >90 天 穿戴设备 标签 标签 穿戴设备 消费者手 无 机 定位数据是否可 以出园区 NA 否 否 是 9 / 20 2 定位架构 从定位需求来看，广域定位场景一般对数据不出园区没有硬性要求，对定位 时延不敏感，适合复用大网（广域）架构。而绝大多数的行业局域场景对数据不 出园区有强烈的安全诉求，且对定位时延敏感，要求架构简单，部署灵活，需要 考虑适配局域架构。 2.1 广域定位架构 图6为适用于广域场景的定位架构，由UE终端、5G无线接入网、5G核心网组 成。运营商依托5G基础网络建设优势，可同步部署5G定位网络，实现通信定位一 张网，从而形成统一的5G定位基础设施网络和5G定位中台能力，为第三方客户提 供5G网络通信及定位服务。 图6 广域定位架构 ⚫ 终端（UE） 5G终端接入网络时需上报定位能力信息。终端可主动发送SRS信号给网络侧， 由网络侧完成信号测量及位置计算；或者由网络侧下行PRS信号，由5G终端自身 完成信号测量并将测量结果反馈给网络计算位置。 ⚫ 基站（gNB） 以上行测量为例，无线基站对5G终端的SRS信号进行到达时间(TOA)/信号强 度（RSRP）等测量，并将测量结果上报给5G核心网。 ⚫ 5G核心网 参与网元较多，如UDM、AMF、LMF、GMLC等，根据gNB/UE测量结果完成位置 解算，并通过MP1接口将用户位置反馈给运营商5G位置服务平台； ⚫ 运营商5G位置服务平台 10 / 20 运营商5G位置服务平台作为第三方应用与5G定位网络的中间桥梁，通过开放 的REST API接口为客户提供基于5G定位网络的位置能力，如实时位置推送、电子 围栏、地图管理、位置告警、轨迹查询、视频联动、位置数据分析等服务。， 2.2 局域定位架构 针对局域场景要求定位业务在本地完成的安全诉求，在原有4G本地定位架构 基础上，创新提出了5G高精度局域定位服务架构。局域定位架构涉及网元较少， 可实现快速部署，如图7所示。 图7 局域定位架构 ⚫ 终端（UE） 5G终端接入网络时需上报定位能力信息。终端可主动发送SRS信号给网络侧， 由网络侧完成信号测量及位置计算；或者由网络侧下行PRS信号，由5G终端自身 完成信号测量并将测量结果反馈给网络计算位置。 ⚫ 基站（gNB） 以上行测量为例，无线基站对5G终端的SRS信号进行到达时间(TOA)/信号强 度（RSRP）等测量，并将测量结果上报给定位服务器。 ⚫ 定位服务器 以上行测量为例，定位服务器根据BBU上报的测量信息进行定位解算，完成 位置信息与用户信息的绑定，并支持将位置信息批量上报给运营商位置服务平台。 ⚫ 运营商位置服务平台 运营商5G位置服务平台作为第三方应用与5G定位网络的中间桥梁，通过开放 的REST API接口为客户提供基于5G定位网络的位置能力，如实时位置推送、电子 围栏、地图管理、位置告警、轨迹查询、视频联动、位置数据分析等服务。 11 / 20 3 定位关键使能技术与演进方向 3GPP Release16版本中，引入了多种定位使能技术，如UTDOA、OTDOA、AOA、 RTT等。从技术复杂度、产业成熟度等方面综合考虑，本章节重点介绍UTDOA、AOA、 RTT技术。定位技术在Release17/18版本中，也将会在降低定位时延、提高定位 精度、降低定位终端功耗等方面进行持续演进。 3.1 关键使能技术 3.1.1 UTDOA UTDOA （Uplink Time Difference of Arrival）即上行到达时间差定位法。 该定位方法通过计算终端上行参考信号SRS到达不同基站的时间差来计算终端相 对基站的位置。UTDOA对终端要求低，流程简单，产业成熟度高，是众多定位技 术中使用最广泛的技术之一。该技术需要多站协同定位，对站间同步要求苛刻， 适用于室内皮站场景。 图8 UTDOA原理示意图 3.1.2 AOA AOA(Angle of Arrival)即到达角度定位法。该定位方法基于信号的入射角 度进行定位。在仅有AOA定位方法的情况下，两个基站即可完成终端定位。但AOA 为了准确测量出电磁波的入射角度，接收机须配备方向性强的天线阵列。实际部 署对工程条件要求极高，需要非常准确的记录基站部署位置，严格的对准基站天 12 / 20 线阵列的方向等，来确保入射角测量的准确性。基于这些严格的工程要求，AOA 定位算法一直有探索，尚未得到规模商用。该技术对基站天线数目要求较高，适 用于室外宏站场景。 3.1.3 RTT RTT （Round Trip Time）即环回时间。RTT通过分别测量下行PRS，上行SRS， 得到被定位终端与多个基站的RTT，从而确定终端的位置。该定位方法支持单站 和多站定位。当只有一个基站参与定位是，RTT需与AoA结合。RTT技术不需要站 间严格同步，室内外均可使用。 图9 RTT原理示意图 3.2 演进方向 R17在商业应用下的定位目标为：对90%的用户的水平定位精度小于1米、垂 直定位精度小于3米、端到端定位估计时延小于100毫秒。在IIoT用例下的定位目 标为：对90%的用户的水平精度和垂直精度分别小于0.2米和1米，部分场景的精 度放松到0.5m@90%。端到端定位时延小于100毫秒。为达成该设计目标，R17主要 在聚焦在降低定位时延、增强NLoS上报等几个方面增强来提升定位精度： 1. 通过减少UE以及gNB相关的收发时延来增强定位精度，包括基于下行，基 于 上 行 ， 和 上 下 行 结 合 的 定 位 技 术 ， 以 及 基 于 UE (UE-based) 和 UE 辅 助 (UE-assisted)定位技术中如何来减少时延。 2. 增强定位信令和流程来降低定位时延，包含基于下行，和上下行定位结 合的定位技术。降低时延的技术包括多项：定位测量，定位估计，以及定位辅助 数据相关的请求和响应流程；UE测量所需时间的增强；UE测量间隙相关的增强。 13 / 20 3. 支 持 基 于 UE (UE-based) 和 基 于 网 络 (network-based) 的 非 激 活 (RRC_INACTIVE)态UE的定位，包括支持UE在非激活态定位测量以及上报测量结果 的下行定位；以及支持gNB测量非激活态上行信号的上行定位和上行结合的定位 技术。 从定位需求可以看出，可穿戴设备的定位是一个刚需。面向行业可穿戴设备 的定位需求，低功耗、低成本定位（如Redcap终端的定位）成为R18定位的重要 研究方向。该方向的持续增强将有助于提升5G定位的竞争力，打开基于5G定位的 垂直市场。 14 / 20 4 定位路标 为满足垂直行业对定位解决方案的迫切需求，产业各方应积极行动，加快定 位端到端相关技术和产品的研发，力争早日商用。 4.1 技术/架构路标 为满足行业对5G定位的需求，网络将分阶段引入UTDOA、局域定位架构等定 位增强技术，技术路标如下图： 图10 定位技术/架构路标 4.2 定位业务平台路标 以行业需求为导向，以室内高精度定位平台和服务为核心，推进室内多元融 合高精度定位平台的研发和建设，推进5G+位置服务能力的拓展。2020年已构建 定位平台基础服务能力，实现基础位置解算能力、开发电子围栏、路径跟踪等基 础服务能力；2021年将持续开发智能考勤、区域统计、热图展示等共性行业业务 功能组件，并可响应行业个性化项目研发需求，不断丰富平台业务功能和位置服 务解决方案，满足行业应用需求，深化行业的拓展能力。 15 / 20 图11 定位平台路标 16 / 20 5 现网（试点）案例 5.1 智慧商超 中国移动联合产业在广州完成了业界首个基于 UTDOA 技术+局域架构的室内 商用验证。试点表明，该方案可实现 5G 室内高精度定位业务的快速部署，定位 精度优于 2 米。同时，支持位置信息批量订阅，使得面向工厂、商超、机场、园 区等各典型行业的 5G 定位服务规模应用成为可能。 图13 智慧商超（楼宇）室内试点 5.2 交通枢纽 中国移动联合产业在杭州完成了 UTDOA 技术+广域架构的 5G 定位室内应用试 点，实现了 2~3 米@90%定位精度。该功能不仅可以使工作人员快捷调度和统一指 挥变得更高效，还能为旅客提供多楼层导航、餐饮或购物店铺精准推送等智慧化 的优质服务。 17 / 20 图14 交通枢纽室内试点 5.3 智慧园区 中国移动联合产业在深圳完成了业界首个基于 RTT 技术+局域架构的室外试 点验证。试点表明，该方案可实现 5G 室外高精度定位业务的快速部署，定位精 度优于 2 米。同时，支持位置信息批量订阅，使得面向工厂、商超、机场、园区 等各典型行业的 5G 定位服务规模应用成为可能。 图13 智慧园区室外试点 18 / 20 6 总结和展望 本白皮书从定位的广域/局域行业需求、面向定位场景的关键使能技术及其 后续演进方向、适配不同场景的定位架构、定位端到端技术路标等方面阐述了中 国移动对 5G 基站高精定位的发展规划与技术判断，旨在呼吁产业界共同努力， 促进定位端到端技术成熟与落地，赋能更多的行业应用，推动行业向数字化、自 动化、智能化转型。 当前，面向行业需求的不断增长，产业上下游需要提前在技术及规划上做好 准备。一方面，进一步推动使能技术的持续增强，加强对低成本低功耗定位方向 的投入；另一方面，针对行业的共性特色强需求场景，如数据不出园区的局域定 位场景，进一步推动局域定位架构端到端成熟。 面向未来，定位乃至 5G 网络的发展需要参与行业数字化的各方共同努力， 明确行业对定位业务的需求，完善使能技术体系，不断提升 5G 网络的高精定位 能力。期待未来，中国移动与产业界共同携手，推动行业应用的快速落地，助力 我国 5G 行业网、5G 垂直行业取得更大的成功。 19 / 20 参考文献 [1] 3GPP TS38.305 [2] 3GPP TS38.355 [3] 3GPP TS23.273 [4] 中国移动,精准定位联盟.室内定位白皮书,2020. 20 / 20