基於 3GPP 標準的 5G 定位系統實驗驗證與時間同步誤差分析

核心概念

本文基於軟體定義無線電和開源蜂巢式軟體建構了一個符合 3GPP 標準的 5G 定位測試平台，並通過數學建模和實驗驗證，提出了一種校準方法來估計和校正影響定位性能的基地台間和使用者設備與基地台間的時間偏移，最終實現了平均均方根誤差為 1.6 米的二維定位。

摘要

文獻資訊

Dhungel, S., Duggal, G., Ron, D., Tripathi, N., Buehrer, R. M., Reed, J. H., & Shah, V. K. (2024). Experimental Validation of a 3GPP Compliant 5G-Based Positioning System. In The 30th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking (ACM MobiCom ’24), November 18–22, 2024, Washington D.C., DC, USA. ACM, Washington, D.C., USA, 8 pages. https://doi.org/10.1145/3636534.3697324

研究目標

本研究旨在開發一個符合 3GPP 標準的 5G 定位測試平台，並探討實現精確定位的挑戰和解決方案。

方法

• 使用軟體定義無線電 (SDR) 和開源蜂巢式軟體 OpenAirInterface (OAI) 建構一個 5G 定位測試平台，包含多個基地台和一個使用者設備。
• 利用基地台發送的下行鏈路定位參考信號 (PRS) 在使用者設備端進行到達時間 (TOA) 估計。
• 建立數學模型來分析影響 TOA 估計的基地台間和使用者設備與基地台間的時間偏移。
• 提出了一種校準方法來估計和校正這些時間偏移。
• 通過實驗驗證所提出的校準方法的有效性和定位性能。

主要發現

• 基地台間和使用者設備與基地台間的時間偏移會顯著影響定位精度。
• 所提出的校準方法能夠有效估計和校正這些時間偏移。
• 在測試場景中，該系統實現了平均均方根誤差為 1.6 米的二維定位精度。

主要結論

• 該研究驗證了基於 3GPP 標準的 5G 定位系統的可行性。
• 時間同步對於實現高精度定位至關重要，所提出的校準方法為解決時間同步問題提供了一種有效途徑。

研究意義

該研究對於推動 5G 定位技術的發展和應用具有重要意義，特別是在需要高精度定位的場景，例如公共安全、車聯網和基於位置的服務等。

局限性和未來研究方向

• 未來研究可以進一步探討多徑效應對定位性能的影響，並開發相應的抑制技術。
• 可以考慮將該系統擴展到三維定位，並評估其在不同環境下的性能。

統計資料

平均均方根誤差為 1.6 米。
Octoclock 提供的時間同步精度為 ±50 奈秒。
估計的基地台間時間偏移為 ˆΔ2 = 41.2 奈秒和 ˆΔ3 = 30.9 奈秒。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Experimental Validation of a 3GPP Compliant 5G-Based Positioning System

by Sarik Dhunge... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18323.pdf

深入探究

未來 6G 技術的發展將如何影響定位技術的演進？

6G 技術預計將帶來更高的頻寬、更低的延遲和更密集的網路覆蓋，這些都將顯著影響定位技術的演進，推動其朝著更高精度、更強大的方向發展。

更高精度： 6G 極高的頻寬和毫米波/太赫茲頻段的使用將帶來更精確的距離和角度估計，從而實現厘米級甚至毫米級的定位精度。
更廣覆蓋： 6G 網路更廣泛地使用無人機和衛星等非地面網路 (NTN) 技術，將擴展定位服務的覆蓋範圍，使其不再局限於地面網路覆蓋區域。
更強魯棒性： 6G 將整合多種定位技術，例如基於無線通訊、感測器和衛星的定位技術，以實現更可靠和魯棒的定位性能，減少環境因素的影響。
更豐富應用： 6G 定位技術將與人工智慧 (AI) 、機器學習 (ML) 和擴增實境 (AR) /虛擬實境 (VR) 等技術深度融合，催生出更豐富的定位服務和應用場景，例如：

精準室內導航： 在大型購物中心、機場等複雜室內環境中提供精準的導航服務。
自動駕駛： 為自動駕駛汽車提供更可靠的定位信息，提升行駛安全性和效率。
智慧城市： 通過精確追蹤城市基礎設施和資源，優化城市規劃和管理。
總之，6G 技術的發展將推動定位技術向著更高精度、更廣覆蓋、更強魯棒性和更豐富應用的方向發展，為我們的生活帶來更多便利和可能性。

如果基地台位置信息不準確，將如何影響該定位系統的性能？

基地台位置信息是該定位系統的重要基礎數據。如果基地台位置信息不準確，將直接影響定位系統的性能，主要體現在以下幾個方面：

定位精度下降： 基地台位置信息偏差會導致計算出的 UE 與基地台之間的距離出現誤差，進而影響定位結果的準確性。基地台位置信息越不準確，定位誤差就越大。
定位誤差分佈不均勻： 基地台位置信息誤差會導致定位誤差在空間上呈現不均勻分佈。在基地台位置信息準確的區域，定位精度較高；而在基地台位置信息偏差較大的區域，定位精度則會明顯下降。
影響 TDOA 技術的性能： 該定位系統採用 TDOA 技術，需要精確測量 UE 接收到不同基地台信號的時間差。基地台位置信息不準確會影響時間差的計算，進而降低 TDOA 技術的定位精度。
為減輕基地台位置信息不準確帶來的影響，可以採取以下措施：

提高基地台位置信息的準確性： 採用更精確的測量方法和設備獲取基地台位置信息，例如高精度 GPS、差分 GPS 等。
對基地台位置信息進行校正： 利用已知位置的參考點對基地台位置信息進行校正，減小誤差。
採用其他定位技術進行輔助： 例如，可以結合 GPS、北斗等衛星定位系統，或利用 Wi-Fi、藍牙等技術進行輔助定位，提高定位精度和可靠性。

如何利用該定位系統的數據來改善城市規劃和交通管理？

該定位系統基於 5G 網路，可以提供大範圍、高精度的定位數據，這些數據對於改善城市規劃和交通管理具有重要價值。
城市規劃方面：

人口密度分析： 通過分析不同時間、不同區域的 UE 分佈密度，可以了解城市人口流動規律，為城市規劃、商業選址等提供數據支持。
交通流量分析： 根據 UE 的移動軌跡數據，可以分析城市道路的交通流量、擁堵情況，為道路規劃、交通信号灯優化提供依據。
公共服務設施規劃： 通過分析 UE 在不同區域的活動情況，可以了解居民對醫療、教育、文化等公共服務設施的需求，為公共服務設施的規劃和佈局提供參考。
交通管理方面：

實時交通監控： 通過實時監測道路上的 UE 分佈和移動速度，可以及時發現交通擁堵、事故等情況，並採取相應措施。
智能交通信号灯控制： 根據實時交通流量，動態調整交通信号灯的配時方案，提高道路通行效率。
公共交通调度优化： 根據乘客的出行需求和公交車的實時位置信息，優化公交車的發車頻率和路線，提高公共交通的運營效率。
數據安全和隱私保護：
在利用該定位系統數據改善城市規劃和交通管理的同時，必須高度重視數據安全和隱私保護。

數據脱敏： 對原始定位數據進行脱敏處理，隱藏用户的身份信息，例如使用設備 ID 代替手機號碼。
數據加密： 對定位數據進行加密存儲和傳輸，防止數據泄露。
數據使用授權： 建立嚴格的數據使用授權機制，明確數據使用目的、範圍和期限，防止數據被濫用。
總之，該定位系統的數據可以為改善城市規劃和交通管理提供 valuable insights，但在數據使用過程中必須始終將數據安全和隱私保護放在首位。