Hoe zullen 5G-netwerken het locatiebewustzijn verbeteren?

3GPP Release 16 houdt de belofte in om zeer nauwkeurige locatieservices goedkoper en betrouwbaarder te maken. Het benutten van nieuwe signaaleigenschappen in combinatie met een verscheidenheid aan niet-cellulaire technologieën kan vormen van hybride positionering mogelijk maken.

3GPP Release 16 houdt de belofte in om zeer nauwkeurige locatieservices goedkoper en betrouwbaarder te maken. Het benutten van nieuwe signaaleigenschappen in combinatie met een verscheidenheid aan niet-cellulaire technologieën kan vormen van hybride positionering mogelijk maken.

Vertrouw je je GPS? Zou je bereid zijn om het blindelings te volgen? Hoewel we het zelden als zodanig beschouwen, is een positielezing van de Global Navigation Satellite Systems (GNSS) -ontvanger in onze smartphone of onze auto een statistische grootheid. Het vertelt je dat je met een bepaalde waarschijnlijkheid – zeg 50% – binnen een bepaalde afstand – zeg 1 meter – van de aangegeven positie bent. Hoe u zich verhoudt tot de verstrekte informatie hangt uiteindelijk af van hoeveel vertrouwen u wilt stellen in de output die uw apparaat levert.

Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

GNSS is lange tijd de unieke bron geweest voor nauwkeurige positieschattingen voor gebruikersapparaten. Maar naarmate toepassingen meer wijdverbreid, diverser en veiligheidskritiek worden, is het van cruciaal belang geworden voor hun succes te begrijpen hoe de betrouwbaarheid van metingen te kwantificeren en om alternatieve invoerbronnen te hebben om op terug te vallen wanneer GNSS niet beschikbaar is.

GNSS is natuurlijk niet de enige beschikbare bron van positie-informatie. Apparaten met een mobiel modem kunnen hun geschatte positie bepalen met behulp van mobiele signalen. Belangrijke spelers op de markt, zoals u-blox, bieden al lang mobiele signaalgebaseerde en hybride positioneringsoplossingen in hun mobiele communicatiemodules, waarbij de laatste GNSS en mobiele signalen combineert om de dekking van locatiediensten uit te breiden.

Nu wordt 5G-positionering, een vaak over het hoofd gezien onderdeel van de 5G-technologieconstructie, ontwikkeld en gestandaardiseerd door het industriegedreven 3GPP (Third-Generation Partnership Project). Dit orgaan, dat zeven organisaties verenigt die zich toeleggen op het ontwikkelen van telecommunicatiestandaarden en honderden bedrijfsleden, stimuleert de ontwikkeling van 5G-positionering als onderdeel van de volgende generatie mobiele communicatietechnologie, met de behoeften van diverse branches in het achterhoofd.

Een korte terugblik

Positionering heeft vanaf het allereerste begin een belangrijke rol gespeeld bij het mogelijk maken van cellulaire communicatie. Aanvankelijk was het slechts een bijproduct:om inkomende oproepen naar het eindapparaat van de ontvanger te leiden, moesten mobiele netwerkoperators weten met welke specifieke eindgebruikers van het mobiele basisstation op een bepaald moment was verbonden.

Dat veranderde in 1999, toen de Amerikaanse regelgevende instanties vereisten oplegden voor zeer nauwkeurige positieschattingen om hulpdiensten mogelijk te maken, wat leidde tot de eerste generatie speciale locatieservices op basis van mobiele technologie. ¹ De EU volgde het voorbeeld van de VS in 2002. ² Sindsdien is het aanbod van locatieservices uitgebreid met elke volgende generatie mobiele technologie, voornamelijk gedreven door de eisen van de industrie en gestandaardiseerd door de 3GPP.

Als gevolg hiervan bieden de huidige 4G LTE-netwerken mobiele netwerkoperators een breed scala aan benaderingen om de locatie van elke gebruiker met verschillende mate van nauwkeurigheid te bepalen. Deze benaderingen maken gebruik van verschillende combinaties van vaste en mobiele netwerkinfrastructuur, evenals externe bronnen, zoals plaatsbepalingssatellieten.

De volgende tabel geeft een overzicht van de belangrijkste 4G LTE-locatieservices. ³

Tabel 1. De belangrijkste 4G LTE-locatieservices

Nieuwe gebruiksscenario's en eisen

Hoewel de belangrijkste drijfveer voor locatiegebaseerde diensten de eisen van regelgevende instanties waren, dringen verschillende openbare en particuliere bedrijven, waaronder fabrikanten van hardware en apparatuur, ruimtevaartagentschappen en mobiele netwerkoperators, aan op het leveren van hogere nauwkeurigheid en precisie door mobiele locatieservices om een ​​nieuwe generatie commercieel gemotiveerde locatiegebaseerde diensten mogelijk te maken.

Deze applicaties worden grofweg gecategoriseerd als UE-Assisted, waarbij het netwerk en de externe applicatie de positie verkrijgen om de verblijfplaats van het object te volgen, en UE-based, waarbij de UE zijn eigen positie berekent voor navigatie en begeleiding. . ⁴

Tegelijkertijd verhoogt de penetratie van het Internet of Things (IoT) in elk facet van onze economie en ons sociale leven de verwachtingen over de dekking en betrouwbaarheid van positioneringstechnologie. Terwijl we tegenwoordig verwachten dat we bijna overal toegang zullen hebben tot snel internet, zal hetzelfde waarschijnlijk het geval zijn voor zeer nauwkeurige positionering.

Als gevolg hiervan kijken de 3GPP en andere standaardisatie-instanties in hun komende releases met een frisse blik naar de toepassingsruimte en prestatie-eisen voor cellulaire positionering. Gebruiksscenario's die kunnen profiteren van verbeterde zeer nauwkeurige positioneringsservices zijn breed, waaronder de industrie, het volgen van activa, auto's, verkeersbeheer, slimme steden, deelfietsen, ziekenhuizen, UAV's, openbare diensten, Augmented Reality (AR) en consumenten- en professionele wearables.

Over het algemeen wil 5G-technologie een verscheidenheid aan cellulaire en hybride positioneringsdiensten aanbieden die zowel absolute als relatieve positionering leveren, afhankelijk van de behoeften van elk specifiek gebruik. Cruciale positie-informatie moet worden geleverd met een maatstaf voor het vertrouwen dat op de meting kan worden gesteld. De belangrijkste vereisten die nog volledig moeten worden gedefinieerd en overeengekomen, zijn horizontale en verticale nauwkeurigheid, relatieve nauwkeurigheid (tussen apparaten in de buurt), time-to-first-fix, snelheidsnauwkeurigheid, energieverbruik, latenties, evenals operationele en beveiligingsgerelateerde eigenschappen . ⁵

Hieronder zullen we kijken naar de eisen die worden gesteld door drie use-cases, met name in de verticale industrieën:(i) UAV-missies en operaties, (ii) IIoT-trackingtoepassingen en (iii) autonome voertuignavigatie. De waarden die worden genoemd voor de eerste twee use-cases zijn afkomstig uit het technische rapport van 3GPP TR 22.872. ⁶ Die voor de automotive use case, die een breed scala aan specifieke toepassingen omvat, zijn ontleend aan aanvullende referenties. ^7,8

Figuur 1. Vereisten voor opkomende gebruiksscenario's voor 5G-positionering in drie geselecteerde branches.

Hoe de nieuwe generatie GNSS-ontvangers de positionering verandert

In de afgelopen jaren heeft plaatsbepaling op basis van satellieten een snelle ontwikkeling doorgemaakt. In de begindagen van satellietnavigatie moesten GNSS-ontvangers vertrouwen op een enkele constellatie van satellieten in een baan om de aarde, ofwel het Amerikaanse GPS- of Russische GLONASS-systeem, om hun positie te bepalen. Nu zijn er meer operationele systemen met de Europese Galileo en Chinese Beidou-systemen en verschillende regionale augmentatiesystemen toegevoegd aan de oorspronkelijke twee. Tegenwoordig worden GNSS-ontvangers met meerdere constellaties die gelijktijdig signalen kunnen ontvangen van alle in een baan om de aarde draaiende GNSS-constellaties, zoals de u-blox F9-generatie ontvangers, de norm. Als gevolg hiervan kunnen ontvangers een groter aantal satellieten "zien", zelfs wanneer grote delen van de lucht worden belemmerd, zoals in stedelijke (of werkelijke) canyons, waardoor de nauwkeurigheid wordt verbeterd en de tijd om een ​​positiebepaling te bereiken wordt verkort.

Aanvankelijk gebruikten GNSS-ontvangers satellietsignalen die op een enkele frequentieband werden uitgezonden om hun locatie te schatten. Een van de belangrijkste bronnen van positiefouten wordt veroorzaakt wanneer de satellietsignalen vertragen terwijl ze de geladen ionosfeer doorkruisen. Omdat deze vertraging evenredig is met de inverse van de gekwadrateerde frequentie, kan het gebruik van signalen van extra frequentiebanden helpen bij het bepalen en corrigeren van de ionosferische fout. De nieuwste generatie dual-band GNSS-ontvangers heeft de gemiddelde positiefout teruggebracht van ongeveer 2,5 m tot minder dan een meter in open lucht met behulp van standaard codegebaseerde positionering.

De kwaliteit van GNSS-positionering heeft lang geprofiteerd van commerciële GNSS-correctiediensten. Aanbieders van GNSS-correctiediensten bewaken doorgaans binnenkomende GNSS-signalen met behulp van een netwerk van basisstations met precies bekende posities en verzenden op maat gemaakte correctie-informatie naar eindgebruikers tegen een vergoeding. Voor op code gebaseerde positionering worden dit differentiële correcties genoemd.

Bij gebruik van zeer nauwkeurige RTK-methoden (Real Time Kinematic) voor fasevolging van draaggolven, kunnen correcties die zijn verkregen van een nabije referentieontvanger, een positionering op centimeterniveau bereiken. Tegenwoordig is een nieuwe generatie GNSS-correctiediensten in de maak, die een alternatieve benadering hanteert, door GNSS-code en draaggolffasecorrectiegegevens uit te zenden voor een hele geografische regio, b.v. een land of een heel continent, via internet of satelliet.

De combinatie van multi-constellatie- en multiband-ontvangers met nieuwe GNSS-correctieschema's om nauwkeurigheid op centimeterniveau te bereiken, en dit alles tegen aanzienlijk lagere eigendomskosten, maakt de weg vrij voor nieuwe soorten massamarkttoepassingen voor zeer nauwkeurige positionering op centimeterniveau .

Dat gezegd hebbende, heeft GNSS nog steeds twee nadelen:ontvangers moeten zich idealiter binnen het gezichtsveld van de in een baan om de aarde draaiende satellieten bevinden om de positie te bepalen. Binnen en in tunnels zijn de diensten verslechterd of zelfs niet beschikbaar. En in het beste geval heeft een GNSS-ontvanger enkele seconden nodig om zijn positie voor de eerste keer vanaf een koude start ondubbelzinnig te bepalen. Aangedreven door traagheidssensoren breiden gegist bestekoplossingen, voornamelijk afgestemd op automobieltoepassingen, het bereik van zeer nauwkeurige positionering buiten het bereik van GNSS-signalen aanzienlijk uit. Assisted GNSS (A-GNSS) versnelt de tijd tot eerste fix door een snellere manier te bieden om GNSS-baan- en klokgegevens op te halen dan via de GNSS-signalen zelf.

Hoe 5G nieuwe verbeteringen zal brengen aan op mobiele apparaten gebaseerde positionering

5G New Radio, de volgende generatie mobiele technologie gedefinieerd door de 3GPP van release 15, is al in de maak. ⁹ Eindgebruikers in sommige regio's krijgen voor het eerst toegang tot de niet-zelfstandige architectuur die voortbouwt op 4G LTE al in H1 2019, waarbij Samsung en Verizon, LG en Sprint, en Huawei begin 2019 5G-smartphones uitbrengen, en Apple zal naar verwachting volgen in 2020. ¹⁰ Daarna volgt de uitrol van standalone 5G.

Verschillende mobiele netwerkoperators hebben de implementatie van 5G-netwerken al publiekelijk aangekondigd, te beginnen in stedelijke centra. De VS leiden het peloton. AT&T begon met de uitrol in 2018 en zal doorgaan tot 2019, met als doel halverwege het jaar landelijke dekking te bieden. ¹¹ In Korea, het tweede land dat aan de race meedoet, hebben telecombedrijven gezamenlijk plannen aangekondigd om 5G in maart 2019 uit te rollen. ¹² In het VK heeft Vodafone plannen aangekondigd om de technologie in 2020 uit te rollen. Positioneringsservices met hoge nauwkeurigheid zullen echter pas deel gaan uitmaken van de 3GPP 5G NR-specificaties van 3GPP tot release 16 rond het einde van 2019, met implementatie op zijn vroegst in 2020.

De drijvende krachten achter 5G zijn divers. Nieuwe toepassingen stellen hogere eisen aan de tafel op het gebied van betrouwbaarheid, beschikbaarheid, dekking en latentie van de prestaties van mobiele netwerken. Mobiele netwerkoperators kijken naar 5G om nieuwe inkomstenstromen op te bouwen uit brancheverticalen. Chipsetleveranciers zien in 5G een kans om de omzet te verhogen door licenties te verlenen voor intellectuele eigendomsrechten. En gebruikers krijgen de hogere datasnelheden waar ze om hebben gevraagd.

De 5G-technologie voor mobiele communicatie beantwoordt aan deze uiteenlopende vereisten via drie belangrijke gebruiksscenario's:eMBB, uRLLC en mMTC, die we hieronder kort beschrijven.

• eMBB (enhanced Mobile Broadband) breidt het spectrum voor mobiele communicatie uit naar veel hogere frequenties die gegevens met hogere snelheden transporteren.
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) stimuleert nieuwe mogelijkheden zoals autonome voertuigen en voertuig-naar-alles-toepassingen (V2X).
• mMTC (massive Machine Type Communications) zal de ontwikkelingen van IoT-toepassingen in low power wide area (LPWA)-communicatie blijven ontwikkelen.

Om positionering in deze scenario's mogelijk te maken, zijn nieuwe signalen en nieuwe infrastructuur nodig die kunnen worden benut om het scala aan beschikbare technieken uit te breiden, ¹³ inclusief grotere bandbreedtes bij hogere frequenties, meer antennes gecombineerd tot complexe antenne-arrays en dichtere telecommunicatienetwerken. De doelen zijn ambitieus:positienauwkeurigheid onder de meter met een lage latentie van minder dan 15 milliseconden.

5G biedt grotere bandbreedtes en frequenties

3GPP richt zich momenteel op het introduceren van een reeks 4G LTE-positioneringsmethoden in 5G. Meestal gebruiken deze uplink- en downlinksignalen om de positie van individuele eindapparaten te bepalen om hun positie te bepalen ten opzichte van mobiele netwerkantennes, die als ankerpunten dienen. Voorbeelden zijn verbeterde op Cell-ID en TDOA gebaseerde benaderingen.

In verbeterde Cell-ID bewaken eindapparaten hun nabijheid tot meerdere basisstations, waarbij de signaalsterkte en de geschatte voortplantingstijd naar het apparaat worden gemeten. Door deze waarnemingen te combineren, kan een betere schatting van de positie van het apparaat worden berekend dan alleen het dichtstbijzijnde celcentrum te meten.

Bij op TDOA gebaseerde benaderingen meet het eindapparaat nauwkeurig de aankomsttijden van signalen van meerdere basisstations. Door multilateratie te gebruiken op basis van de tijdsverschillen tussen waargenomen ontvangsttijden, kan het apparaat zijn positie ten opzichte van de waargenomen basisstations nauwkeuriger bepalen dan met verbeterde Cell-ID.

Een andere klasse is de tot nu toe slecht benutte sidelink, een 4G LTE-technologie met apparaat-naar-apparaat-communicatie waarmee apparaten hun positie ten opzichte van elkaar kunnen bepalen. Een voor de hand liggende use-case is voertuig-naar-voertuig (V2V) communicatie.

De nieuwe spectrumtoewijzing van 5G is goed nieuws voor cellulaire positionering, met name vanwege de beschikbaarheid van grotere bandbreedtes die zich op hogere frequenties bevinden (mmWave boven 24 GHz naast sub 6 GHz). Grotere bandbreedte betekent dat de signaaltijd nauwkeuriger kan worden opgelost (er is een omgekeerde relatie tussen tijd en bandbreedte), dus grotere bandbreedtes bieden een betere mogelijkheid om multipath-effecten op te lossen, de belangrijkste bron van fouten in rommelige stedelijke en binnenomgevingen omdat signalen die anders reizen paden arriveren op verschillende tijdstippen.

De overstap van 5G naar nieuwe frequenties heeft ook invloed op de geografische inzet van cellulaire basisstations en de gebruikte antennetechnologieën, wat opnieuw gunstig is voor op cellulaire gebaseerde positionering. Omdat ze hogere voortplantingsverliezen met zich meebrengen, hebben kortere golflengten een kleiner bereik dan langere, wat betekent dat MNO's meer basisstations zullen moeten inzetten om dekking te behouden. Bovendien zal de introductie van antenne-arrays met bundelvormende mogelijkheden helpen om signalen naar eindgebruikers te sturen. Een hogere dichtheid van directionele antennes zal de resolutie van multipath-componenten verbeteren door de vertraging, de aankomsthoek (AoA) en de vertrekhoek (AoD) te meten, waardoor de positioneringsprestaties worden verbeterd. Bovendien kan het mogelijk worden om apparaten te lokaliseren met een enkel basisstation.

Alomtegenwoordige uiterst nauwkeurige positionering vereist hybride benaderingen

Geen enkele benadering zal in alle omgevingscondities op betrouwbare wijze de nauwkeurigheid kunnen bieden die vereist is voor de beoogde use-cases. Zoals we hebben gezien, hebben de huidige op GNSS gebaseerde oplossingen weliswaar betrouwbare posities met hoge nauwkeurigheid, maar hebben ze beperkingen voor toepassingen binnenshuis. Aan de andere kant kunnen op 5G gebaseerde positioneringsoplossingen een aanvulling vormen op en nauwkeurige positieschattingen bieden voor zowel binnen- als buitenscenario's.

Hybride oplossingen die meerdere cellulaire benaderingen optimaal combineren met niet-cellulaire, zoals GNSS, terrestrische bakensystemen (TBS), metingen op basis van wifi en Bluetooth en inertiële metingen (IMU), zijn het meest veelbelovend om deze doelen te bereiken. De extra redundanties zorgen voor een grotere fouttolerantie en een verbeterde integriteit van de algehele oplossing, wat een kwantitatieve mate van vertrouwen oplevert die bij elke positieschatting past.

De 3GPP-onderzoeksscope erkent de belofte van hybride positioneringsoplossingen om nieuwe toepassingen mogelijk te maken en omvat GNSS- en satellietsignalen, evenals terrestrische signalen zoals Wi-Fi en Bluetooth, en meer. De resulterende oplossingen, die voortkomen uit het 3GPP-studie-item, zijn gericht op introductie in radiospecificaties voor release 16 – Q1 2020.

Uitdagingen ingesteld voor de 3GPP

De 3GPP heeft zichzelf ambitieuze doelen gesteld, met release 16 gepland voor H1 2020. Het implementeren van op mobiele apparaten gebaseerde positioneringsoplossingen bovenop het gevarieerde signaallandschap van 5G zal een complexe onderneming zijn, evenals het aanmoedigen van tijdige uitrol van infrastructuur om voldoende brede dekking mogelijk te maken om aan te trekken een groot genoeg gebruikersbestand.

Zoals we hebben gezien, zullen hybride positioneringsbenaderingen cruciaal zijn om te voldoen aan de strenge behoeften van opkomende toepassingen, met name omdat de verwachting van positionering met hoge nauwkeurigheid overal en altijd de norm wordt. Dit vereist onvermijdelijk vertegenwoordigers van verschillende technologieën - of het nu gaat om GNSS, cellulair, korte afstand, satellietcommunicatie of andere - om samen te werken om een ​​resultaat te produceren dat beter is dan de som van de samenstellende delen.

De unieke positie van u-blox in de industrie, als een toonaangevende leverancier van GNSS, draadloze en mobiele technologie op korte afstand, maakt de komst van 5G-positioneringsbenaderingen, met name die waarbij technologieën worden gecombineerd, bijzonder opwindend. Hybride positionering bouwt voort op de convergentie van onze kerncompetenties en we zien een enorm potentieel voor innovatie, nieuwe prestatieniveaus en nieuwe gebruiksscenario's. Omdat we bijdragen aan het bespoedigen van het samenkomen van deze verschillende werelden om een ​​betere en uitgebreidere oplossing te bieden, kunnen we niet anders dan uitkijken naar het resultaat.

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

Referenties

• 1) FCC 911- en E911-services
• 2) Samenvattingen van EU-wetgeving:betaalbare telecommunicatiediensten - gebruikersrechten
• 3) Gebaseerd op "Evolutie van positioneringstechnieken in mobiele netwerken, van 2G naar 4G", Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE is een afkorting voor User Equipment
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Technisch rapport, 3rd Generation Partnership Project; Technische Specificatie Groepsdiensten en Systeemaspecten; Onderzoek naar gebruiksscenario's voor positionering; Fase 1, (Release 16)
• 7) Uiterst nauwkeurige positionering voor Cooperative-ITS (HIGHTS), projectresultaat D2.1:gebruiksscenario's en toepassingsvereisten (1 mei 2015)
• 8) Rapport over de behoeften en vereisten van weggebruikers, uitkomst van het Europese GNSS USER Consultation Platform, European Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA) (18 oktober 2018)
• 9) Mijlpaal systeemarchitectuur van 5G Fase 1 is bereikt, 3GPP, (21 december 2017)
• 10) Top 5G-telefoons:elke 5G-telefoon aangekondigd en komt nog in 2019
• 11) AT&T benoemt 99 nieuwe 5G Evolution-markten
• 12) Carrier-hoofden verbinden zich tot 'Korea 5G Day'
• 13) Whitepaper over nieuwe lokalisatiemethoden voor 5G draadloze systemen en het internet der dingen, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.