5G通信系统定位技术原理与方法

孙韶辉
博士，中信科移动通信技术股份有限公司副总经理，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，研究方向包括移动通信系统设计及多天线技术、卫星通信和定位等关键技术。

任斌
博士，中信科移动通信技术股份有限公司高 级工程师，从事4G和5G技术研究和标准化工作，研究方向为无线蜂窝网络中的高精度定位技术、非正交多址接入技术和随机接入技术。

达人
博士，中信科移动通信技术股份有限公司高 级技术专 家，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，曾担任3GPP 5G NR Release-16/17/18定位研究项目和工作项目的报告人和特性负责人。

范绍帅
博士，北京邮电大学信息与通信工程学院讲师、硕士生导师，从事移动通信新理论和技术研究，研究方向为5G/B5G/6G组网及关键技术、高精度定位授时技术。

适读人群 ：本书适合工程技术人员、高校通信相关专业的老师和学生及通信行业从业人员阅读。

着重向读者介绍5G通信系统定位技术和标准设计，包括蜂窝网络定位技术发展概述、蜂窝网络定位技术基础、5G位置服务架构和信令过程，以及5G定位标准的进展和发展趋势展望等。通过本书，读者可以了解5G NR 从Release 15 到Release 17 定位标准的设计方法和特点，以及对5G Release 18后续版本和6G的发展趋势展望，对于5G通信系统定位技术的研究与应用具有参考意义。

第 1章　蜂窝网络定位技术发展概述 1
1．1　引言　2
1．2　无线定位系统的概述和技术发展　2
1．2．1　蜂窝网络定位系统　2
1．2．2　卫星定位系统　3
1．2．3　无线局域网定位系统　4
1．2．4　蓝牙定位系统　5
1．2．5　超宽带定位系统　5
1．3　蜂窝网络定位技术的演进过程　6
1．4　小结　8
参考文献　9
第　2章 蜂窝网络定位技术基础　13
2．1　引言　14
2．2　蜂窝网络定位技术　14
2．2．1　增强小区标识（E-CID）定位技术　15
2．2．2　下行链路到达时间差（DL-TDOA）定位技术　15
2．2．3　上行链路到达时间差（UL-TDOA）定位技术　17
2．2．4　多小区往返行程时间（Multi-RTT）定位技术　18
2．2．5　下行链路离开角（DL-AoD）定位技术　20
2．2．6　上行链路到达角（UL-AoA）定位技术　20
2．2．7　5G蜂窝网络融合定位技术　21
2．3　定位测量量估计算法　22
2．3．1　传输时延（TOA）估计　22
2．3．2　到达角（AoA）估计　24
2．3．3　传输时延（TOA）和到达角（AoA）联合估计　26
2．4　终端位置解算算法　27
2．4．1　最小二乘法及Chan定位算法　28
2．4．2　泰勒级数算法　31
2．4．3　指纹定位算法　32
2．5　定位性能指标　34
2．5．1　克拉美罗下界（CRLB）　34
2．5．2　均方误差（MSE）与均方根误差（RMSE）　35
2．5．3　累积分布函数（CDF）　36
2．6　小结　37
参考文献　37
第3章　5G位置服务架构和信令过程　39
3．1　引言　40
3．2　位置服务架构　40
3．2．1　位置服务端到端架构　40
3．2．2　RAN侧定位架构　43
3．3　网元功能和接口功能　45
3．3．1　网元功能　45
3．3．2　接口功能　50
3．4　位置服务和信令过程　55
3．4．1　位置服务　55
3．4．2　端到端位置服务过程　58
3．4．3　网络与终端定位过程　87
3．5　小结　97
参考文献　98
第4章　5G下行定位技术　101
4．1　引言　102
4．2　下行定位参考信号　102
4．2．1　下行定位参考信号资源/资源集　102
4．2．2　下行定位参考信号资源单元映射图案设计　105
4．2．3　下行定位参考信号序列设计　107
4．2．4　下行定位参考信号端口与带宽　108
4．2．5　下行定位参考信号配置　109
4．3　下行定位测量量　113
4．3．1　下行参考信号时间差　113
4．3．2　下行定位参考信号接收功率　115
4．3．3　下行定位参考信号子径接收功率　115
4．4　下行定位物理层过程　116
4．4．1　下行测量过程　116
4．4．2　基站天线与波束信息上报过程　117
4．4．3　下行定位辅助数据　118
4．4．4　下行定位参考信号波束管理过程　119
4．4．5　下行定位参考信号接收功率的上报　120
4．4．6　下行收发定时误差影响消除　121
4．4．7　下行非视距/多径影响消除　124
4．5　下行定位高层流程　125
4．5．1　终端与定位服务器间的信令流程　125
4．5．2　基站与定位服务器间的信令流程　127
4．5．3　RRC_INACTIVE状态下的下行定位技术的定位流程　128
4．5．4　按需点播下行定位参考信号流程　129
4．6　小结　131
参考文献　132
第5章　5G上行定位技术　135
5．1　引言　136
5．2　上行定位探测参考信号　136
5．2．1　上行定位探测参考信号资源设计　137
5．2．2　上行定位探测参考信号序列设计　137
5．2．3　上行定位探测参考信号资源单元映射图案设计　138
5．2．4　上行定位探测参考信号循环移位设计　139
5．2．5　上行定位探测参考信号配置方案　141
5．3　上行定位测量量　142
5．3．1　上行相对到达时间　143
5．3．2　上行探测参考信号接收功率　143
5．3．3　上行探测参考信号子径接收功率　143
5．3．4　上行到达角　144
5．3．5　上行定位测量量的上报　144
5．4　上行定位物理层过程　145
5．4．1　上行定位探测参考信号定时提前调整　145
5．4．2　上行定位探测参考信号的功率控制　146
5．4．3　上行定位探测参考信号波束管理　147
5．4．4　上行收发定时误差影响消除　149
5．4．5　UL-AoA定位技术的增强方案　152
5．4．6　上行非视距/多径影响的消除　153
5．5　上行定位高层流程　154
5．5．1　终端与服务基站间的信令流程　154
5．5．2　基站与定位服务器间的信令流程　156
5．5．3　非激活态上行定位技术的流程　159
5．6　小结　161
参考文献　161
第6章　5G上下行联合定位技术　163
6．1　引言　164
6．2　Multi-RTT定位的定位测量量　164
6．2．1　UE Rx-Tx时间差　164
6．2．2　gNB Rx-Tx时间差　165
6．3　上下行联合定位物理层过程　165
6．3．1　上下行联合收发定时误差消除增强方案　165
6．3．2　上下行NLOS/多径处理增强方案　168
6．4　上下行联合定位技术的高层流程　168
6．4．1　终端与定位服务器、服务基站间的信令流程　170
6．4．2　基站与定位服务器间的信令流程　173
6．4．3　RRC_INACTIVE状态的定位流程　176
6．5　小结　178
参考文献　178
第7章　5G蜂窝网络和非蜂窝网络的融合定位技术　181
7．1　引言　182
7．2　非蜂窝网络定位技术　182
7．2．1　网络辅助的全球卫星导航系统　182
7．2．2　无线局域网定位　186
7．2．3　蓝牙定位　187
7．2．4　惯性导航定位　187
7．3　5G融合定位技术　190
7．4　5G辅助卫星的增强定位　191
7．4．1　辅助卫星定位系统　191
7．4．2　辅助卫星定位数据　192
7．5　小结　194
参考文献　195
第8章　5G NR载波相位定位技术　199
8．1　引言　200
8．2　基本原理　200
8．3　信号模型　201
8．4　关键技术　203
8．4．1　测量算法　203
8．4．2　初始时偏/相偏消除算法　208
8．4．3　UE位置解算算法　209
8．4．4　多径信道影响消除算法　216
8．5　5G NR载波相位定位对3GPP协议的影响　219
8．5．1　载波相位定位参考信号　219
8．5．2　载波相位测量量　221
8．5．3　物理层过程　223
8．6　性能评估　224
8．6．1　克拉美罗下界分析　224
8．6．2　仿真评估　226
8．7　小结　227
参考文献　228
第9章　5G定位标准的进展和趋势展望　231
9．1　引言　232
9．2　5G定位场景和性能指标　232
9．2．1　3GPP协议中5G定位服务总体需求和性能指标　232
9．2．2　3GPP 5G V2X定位性能要求　233
9．2．3　3GPP 5G公共安全定位性能指标　233
9．2．4　3GPP 5G测距业务定位性能指标　234
9．2．5　3GPP 5G LPHAP定位性能指标　234
9．2．6　3GPP Release 16 NR定位场景和性能指标　234
9．2．7　3GPP Release 17 NR定位场景和性能指标　235
9．3　5G-Advance定位及6G定位技术展望　235
9．3．1　直通链路定位　235
9．3．2　载波带宽聚合定位　236
9．3．3　5G NR载波相位定位　236
9．3．4　蜂窝网络定位完好性　237
9．3．5　低功耗高精度定位　237
9．3．6　低能力等级终端定位　238
9．3．7　人工智能/机器学习定位　238
9．3．8　6G定位技术展望　239
9．4　小结　240
参考文献　241
缩略语　245