Hoe 5G Release 16 de locatienauwkeurigheid zal revolutioneren

3GPP Release 16 belooft goedkopere, betrouwbaardere high-precision locatieservices door nieuwe signaalkenmerken te benutten en diverse niet-cellulaire technologieën te integreren, wat de deur opent voor hybride positionering.

Wanneer we een GPS-coördinaat op onze telefoon aantikken, krijgen we een statistische schatting te zien. Die waarde vertegenwoordigt een kans – vaak 50% – dat het apparaat binnen een specifieke straal, zoals 1 meter, van de gerapporteerde positie is. Hoeveel vertrouwen we in die cijfer stellen, hangt af van hoe de onderliggende gegevens worden gegenereerd en geverifieerd.

Globale Navigatiesatellietstelsels (GNSS)

GNSS is lang de gouden standaard geweest voor nauwkeurige positionering, maar de groeiende honger naar safety-critical, high-precision toepassingen eist robuuste vertrouensmetrieën en fallback-opties wanneer satellietsignalen te kort schieten.

Cellulaire modems bieden al grove positionering door cellulaire signalen te trianguleren. Toonaangevende fabrikanten, zoals u-blox, hebben hybride modules aangeboden die GNSS combineren met cellulaire data om dekking en betrouwbaarheid uit te breiden.

5G-positionering – een vaak over het hoofd gezien facet van het 5G-ecosysteem – wordt nu gestandaardiseerd door de industriëel gedreven 3GPP. Deze organisatie, die zeven technische lichamen en honderden bedrijfsleden verenigt, stuurt 5G-positionering in de richting van de behoeften van diverse verticals.

Een korte blik terug

Positionering is van het begin af aan integraal onderdeel geweest van cellulaire netwerken, oorspronkelijk gebruikt om oproepen naar de juiste basistatie te routeren. Regulatorische eisen voor nooddiensten in 1999 en de EU in 2002 versnelden de evolutie van cellulaire locatieservices, een voortgang die 3GPP voortdurend heeft verfijnd.

De huidige 4G LTE-infrastructuur biedt een suite van locatiemethoden – cell-ID, enhanced cell-ID, TDOA, en meer – elk met variërende nauwkeurigheid en dekking. De bijbehorende tabel (zie Figuur 1) vat deze technieken samen.

Tabel 1. De belangrijkste 4G LTE Locatieservices

Nieuwe use cases en eisen

Naast regulatorische mandaten, eist een groeiende groep hardwarefabrikanten, ruimtevaartorganisaties en operators submeter-precisie om next-generation services mogelijk te maken. Toepassingen variëren van autonomous vehicles en UAV's tot slimme steden, wearables en AR.

5G belooft een mix van absolute en relatieve positionering, elk vergezeld van een gekwantificeerd vertrouensniveau. Belangrijke prestatie-indicatoren – horizontale/verticale nauwkeurigheid, relatieve nauwkeurigheid, time-to-first-fix, snelheidsprecisie, stroomverbruik, latentie en beveiliging – worden nog verfijnd in Release 16.

Figuur 1 illustreert de strenge nauwkeurigheidsdoelen voor drie verticals – UAV-missies, IIoT-tracking en autonomen voertuignavigatie – gebaseerd op 3GPP TR 22.872 en gerelateerde studies.

Figuur 1. Eisen voor opkomende 5G-positionering use cases in drie geselecteerde verticals.

Hoe de nieuwe generatie GNSS-ontvangers positionering verandert

Moderne GNSS-ontvangers aansluiten nu op meerdere sterrenbeelden – GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou – en in veel gevallen regionale augmentatiesystemen. Multi-constellation, multi-band apparaten (bijv. u-blox F9) kunnen meer satellieten verwerven, zelfs in stedelijke canyons, wat zowel nauwkeurigheid als time-to-fix verbetert.

Dual-band ontvangers mitigeren ionosferische vertragingen door frequentiediversiteit te benutten, wat gemiddelde fouten reduceert van ~2,5 m tot onder 1 m in open lucht omstandigheden. Commerciële correctieservices, inclusief differentiële en RTK, duwen de nauwkeurigheid verder naar het centimetermiveau.

Opkomende broadcast-gebaseerde correctieschema's hebben als doel high-precision data over hele regio's te leveren via internet of satelliet, wat kosten verlaagt terwijl nauwkeurigheid behouden blijft.

GNSS worstelt nog steeds binnen en in tunnels en lijdt onder een cold-start vertraging van enkele seconden. Assisted GNSS (A-GNSS) en inertiële navigatiesystemen (INS) kunnen deze gaten overbruggen, vooral in automobiele contexten.

Hoe 5G nieuwe verbeteringen brengt voor cellulaire-gebaseerde positionering

5G New Radio, gedefinieerd in 3GPP Release 15, wordt al wereldwijd uitgevoerd in non-standalone en standalone configuraties. Hoewel de eerste commerciële 5G-implementaties in 2019 begonnen, zullen high-precision positioneringsstandaarden geïntroduceerd worden in Release 16, gepland voor eind 2019 met implementatie in 2020.

Operators zien 5G als een opbrengststuurder over drie kernscenario's: eMBB (enhanced mobile broadband), uRLLC (ultra-reliable low-latency communications) en mMTC (massive machine-type communications). Elk scenario eist strakkere nauwkeurigheid, lagere latentie en hogere betrouwbaarheid.

• eMBB: hogere frequenties en grotere bandbreedtes leveren snellere data.
• uRLLC: kritisch voor autonome voertuigen en V2X-toepassingen.
• mMTC: ondersteunt het groeiende IoT-ecosysteem.

Cellulaire positionering zal uplink en downlink signalen, enhanced cell-ID, TDOA en potentieel sidelink device-to-device technieken benutten. 5G's bredere bandbreedtes, vooral in mmWave banden boven 24 GHz, verscherpen de tijdafmeting en mitigeren multipath-interferentie.

Hogere frequentie-implementatie leidt tot dichtere basistatienetwerken en geavanceerde antenne-arrays met beamforming, wat delay, angle-of-arrival en angle-of-departure metingen verbetert. In sommige gevallen kan een enkele basistatie voldoende zijn voor nauwkeurige lokalisatie.

Ubiquitaire high-precision positionering vereist hybride benaderingen

Geen enkele technologie kan de strenge nauwkeurigheid garanderen die vereist is in alle omgevingen. GNSS blinkt buiten maar teleurstellt binnen; 5G schittert in zowel binnen- als buitencontexten. Hybride oplossingen die GNSS, cellulaire, Wi-Fi, Bluetooth, terrestrische beacons en inertiële data fusen, bieden de redundantie en integriteit die nodig is voor high-confidence positionering.

3GPP's studiescope omvat expliciet GNSS, terrestrische signalen en kortafstands draadloos, met als doel Release 16 specificaties tegen Q1 2020.

Uitdagingen voor de 3GPP

Het leveren van cellulaire-gebaseerde positionering binnen 5G's diverse signaallandschap vereist complexe integratie en snelle infrastructuur-implementatie. De industrie moet samenwerken over GNSS, cellulaire, satelliet en kortafstands domeinen om oplossingen te produceren die de som van hun delen overtreffen.

u-blox's expertise in GNSS, kortafstands draadloos en cellulaire technologieën positioneert het uniek om 5G hybride positionering te versnellen, innovatie te bevorderen en nieuwe toepassingen ontgrendelen.

Dit artikel is geco-auteurd door David Bartlett, Senior Principal Engineer, Product Center Positioning bij u-blox.

Referenties

• 1) FCC 911 en E911 Diensten
• 2) Samenvattingen van EU Wetgeving: Betaalbare telecommunicatiediensten – rechten van gebruikers
• 3) "Evolutie van Positioneringstechnieken in Cellulaire Netwerken, van 2G tot 4G," Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE staat voor User Equipment
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Technisch rapport, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on positioning use cases; Stage 1, (Release 16)
• 7) High precision positioning for Cooperative-ITS (HIGHTS), Project deliverable D2.1: Use cases and Application Requirements (1 mei 2015)
• 8) Rapport over Behoeftes en Vereisten van Weggebruikers, Resultaat van het Europees GNSS' USER Consultatie Platform, European Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA) (18 oktober 2018)
• 9) Systeemarchitectuur mijlpaal van 5G Fase 1 is bereikt, 3GPP, (21 december 2017)
• 10) Top 5G telefoons: elke 5G telefoon aangekondigd en nog te komen in 2019
• 11) AT&T noemt 99 nieuwe 5G Evolution Markten
• 12) Carrier hoofden committen tot 'Korea 5G Day'
• 13) Whitepaper over Nieuwe Localisatiemethoden voor 5G Draadloze Systemen en het Internet-of-Things, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

Industry Articles zijn een vorm van content die industriële partners in staat stelt om nuttig nieuws, berichten en technologie te delen met All About Circuits lezers op een manier waar editorial content niet goed voor geschikt is. Alle Industry Articles onderworpen aan strikte editorial richtlijnen met de bedoeling om lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De meningen en opinies uitgedrukt in Industry Articles zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.