Wie werden 5G-Netzwerke die Standorterkennung verbessern?

3GPP Release 16 verspricht, hochpräzise Ortungsdienste kostengünstiger und zuverlässiger zu machen. Die Nutzung neuer Signaleigenschaften in Kombination mit einer Vielzahl nicht-zellularer Technologien könnte Formen der Hybridpositionierung ermöglichen.

3GPP Release 16 verspricht, hochpräzise Ortungsdienste kostengünstiger und zuverlässiger zu machen. Die Nutzung neuer Signaleigenschaften in Kombination mit einer Vielzahl nicht-zellularer Technologien könnte Formen der Hybridpositionierung ermöglichen.

Vertrauen Sie Ihrem GPS? Wären Sie bereit, ihm blind zu folgen? Obwohl wir es selten als solches betrachten, ist die Positionsmessung des Global Navigation Satellite Systems (GNSS)-Empfängers in unserem Smartphone oder unserem Auto eine statistische Größe. Es sagt Ihnen, dass Sie sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit – sagen wir 50% – innerhalb einer definierten Entfernung – sagen wir 1 Meter – von der angezeigten Position befinden. Letztendlich hängt Ihre Beziehung zu den bereitgestellten Informationen davon ab, wie viel Vertrauen Sie in die Ausgabe Ihres Geräts setzen möchten.

Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS)

GNSS ist seit langem die einzige Quelle für genaue Positionsschätzungen für Benutzergeräte. Da Anwendungen jedoch immer weiter verbreitet, vielfältiger und sicherheitskritisch werden, ist es für ihren Erfolg von größter Bedeutung, die Zuverlässigkeit von Messwerten zu quantifizieren und alternative Eingabequellen zu nutzen, auf die bei Nichtverfügbarkeit von GNSS zurückgegriffen werden kann.

GNSS ist natürlich nicht die einzige verfügbare Quelle für Positionsinformationen. Geräte mit einem Mobilfunkmodem können ihre ungefähre Position mithilfe von Mobilfunksignalen bestimmen. Schlüsselakteure auf dem Markt wie u-blox bieten seit langem zellulare signalbasierte und hybride Ortungslösungen in ihren Mobilfunkmodulen an, wobei letztere GNSS- und Mobilfunksignale kombinieren, um die Abdeckung von Ortungsdiensten zu erweitern.

Nun wird die 5G-Positionierung, ein oft übersehener Bestandteil des 5G-Technologiekonstrukts, vom industriegetriebenen 3GPP (Third-Generation Partnership Project) entwickelt und standardisiert. Dieses Gremium, das sieben Organisationen vereint, die sich der Entwicklung von Telekommunikationsstandards widmen, und Hunderte von Unternehmensmitgliedern vereint, treibt die Entwicklung der 5G-Positionierung als Komponente der Mobilfunktechnologie der nächsten Generation unter Berücksichtigung der Bedürfnisse verschiedener Branchen voran.

Kurzer Rückblick

Die Positionierung hat seit seiner Einführung eine wichtige Rolle bei der Ermöglichung der Mobilfunkkommunikation gespielt. Anfangs war es ein reines Nebenprodukt:Um eingehende Anrufe an das Endgerät des Empfängers weiterzuleiten, mussten Mobilfunknetzbetreiber wissen, mit welchen bestimmten Endbenutzern der Mobilfunkbasisstation zu einem bestimmten Zeitpunkt verbunden war.

Das änderte sich 1999, als die US-Regulierungsbehörden Anforderungen an hochpräzise Positionsschätzungen stellten, um Notdienste zu ermöglichen, was zur ersten Generation dedizierter Ortungsdienste auf Basis von Mobilfunktechnologie führte. ¹ Die EU folgte 2002 dem Beispiel der USA. ² Seitdem hat sich das Angebot an Ortungsdiensten mit jeder weiteren Generation der Mobilfunktechnologie erweitert, hauptsächlich getrieben von den Anforderungen der Industrie und standardisiert durch das 3GPP.

Damit bieten die heutigen 4G LTE-Netze Mobilfunknetzbetreibern vielfältige Ansätze, um den Standort jedes Nutzers mit unterschiedlicher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Ansätze nutzen unterschiedliche Kombinationen von Festnetz- und Mobilfunknetzinfrastruktur sowie externe Quellen, wie zum Beispiel Satelliten zur Positionierung.

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten 4G LTE-Standortdienste aufgeführt. ³

Tabelle 1. Die wichtigsten 4G LTE-Standortdienste

Neue Anwendungsfälle und Anforderungen

Während der Hauptgrund für standortbasierte Dienste die Anforderungen der Regulierungsbehörden waren, drängen heute mehrere öffentliche und private Unternehmen, darunter Hardware- und Ausrüstungshersteller, Weltraumbehörden und Mobilfunknetzbetreiber, auf die Bereitstellung höherer Genauigkeit und Präzision durch zellulare Ortungsdienste um eine neue Generation kommerziell motivierter standortbezogener Dienste zu ermöglichen.

Diese Anwendungen werden grob kategorisiert als UE-unterstützt, bei dem das Netzwerk und die externe Anwendung die Position erhalten, um den Aufenthaltsort des Objekts zu verfolgen, und UE-basiert, bei dem das UE seine eigene Position zum Zwecke der Navigation und Führung berechnet . ⁴

Gleichzeitig erhöht die Durchdringung des Internets der Dinge (IoT) in alle Facetten unserer Wirtschaft und unseres gesellschaftlichen Lebens die Erwartungen an die Reichweite und Zuverlässigkeit der Ortungstechnologie. Während wir heute davon ausgehen, dass wir fast überall Zugang zu Highspeed-Internet haben werden, wird dies wahrscheinlich auch für die hochgenaue Positionsbestimmung gelten.

Infolgedessen werfen das 3GPP und andere Standardisierungsgremien in ihren kommenden Veröffentlichungen einen neuen Blick auf den Anwendungsraum und die Leistungsanforderungen für die Mobilfunkpositionierung. Anwendungsfälle, die von verbesserten hochpräzisen Ortungsdiensten profitieren können, sind breit gefächert, darunter Industrie, Asset-Tracking, Automobil, Verkehrsmanagement, Smart Cities, Shared Bikes, Krankenhäuser, UAVs, öffentliche Dienste, Augmented Reality (AR) und Verbraucher- und professionelle Wearables.

Insgesamt zielt die 5G-Technologie darauf ab, eine Vielzahl von zellularbasierten und hybriden Ortungsdiensten anzubieten, die sowohl eine absolute als auch eine relative Positionsbestimmung ermöglichen, je nach den Anforderungen des jeweiligen Anwendungsfalls. Entscheidend ist, dass Positionsinformationen mit einem Maß an Vertrauen geliefert werden, das auf die Ablesung gesetzt werden kann. Die wichtigsten Anforderungen, die noch vollständig definiert und vereinbart werden müssen, sind horizontale und vertikale Genauigkeit, relative Genauigkeit (zwischen Geräten in der Nähe), Time-to-First-Fix, Geschwindigkeitsgenauigkeit, Stromverbrauch, Latenzen sowie betriebs- und sicherheitsbezogene Eigenschaften . ⁵

Im Folgenden werfen wir einen Blick auf die Anforderungen von drei Anwendungsfällen insbesondere in den vertikalen Industrien:(i) UAV-Missionen und -Operationen, (ii) IIoT-Tracking-Anwendungen und (iii) autonome Fahrzeugnavigation. Die für die ersten beiden Anwendungsfälle angegebenen Werte stammen aus dem technischen Bericht 3GPP TR 22.872. ⁶ Diejenigen für den Automobilanwendungsfall, der ein breites Spektrum spezifischer Anwendungen umfasst, werden aus zusätzlichen Referenzen gezogen. ^7,8

Abbildung 1. Anforderungen für neue Anwendungsfälle zur 5G-Positionierung in drei ausgewählten Branchen.

Wie die neue Generation von GNSS-Empfängern die Position verändert

Die satellitengestützte Ortung hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. In den frühen Tagen der Satellitennavigation mussten sich GNSS-Empfänger zur Bestimmung ihrer Position auf eine einzige Konstellation von umlaufenden Satelliten verlassen, entweder das US-GPS- oder das russische GLONASS-System. Jetzt gibt es weitere Betriebssysteme mit den europäischen Galileo- und chinesischen Beidou-Systemen sowie mehreren regionalen Erweiterungssystemen, die den ursprünglichen beiden hinzugefügt wurden. Heute werden GNSS-Empfänger mit mehreren Konstellationen, die gleichzeitig Signale von allen umlaufenden GNSS-Konstellationen empfangen können, wie die u-blox F9-Empfängergeneration, zur Norm. Dadurch können die Empfänger eine größere Anzahl von Satelliten „sehen“, selbst wenn große Teile des Himmels verdeckt sind, beispielsweise in städtischen (oder tatsächlichen) Schluchten, wodurch die Genauigkeit verbessert und die Zeit für eine Positionsbestimmung verkürzt wird.

Ursprünglich verwendeten GNSS-Empfänger Satellitensignale, die auf einem einzigen Frequenzband übertragen wurden, um ihren Standort zu schätzen. Eine der Hauptquellen für Positionsfehler wird verursacht, wenn die Satellitensignale beim Durchqueren der geladenen Ionosphäre langsamer werden. Da diese Verzögerung proportional zum Kehrwert der quadrierten Frequenz ist, kann die Verwendung von Signalen aus zusätzlichen Frequenzbändern helfen, den Ionosphärenfehler zu bestimmen und zu korrigieren. Die neueste Generation von Dualband-GNSS-Empfängern hat den durchschnittlichen Positionsfehler von ungefähr 2,5 m auf weniger als einen Meter unter freiem Himmel mit standardmäßiger codebasierter Positionierung reduziert.

Die Qualität der GNSS-Positionierung profitiert seit langem von kommerziellen GNSS-Korrekturdiensten. GNSS-Korrekturdienstanbieter überwachen normalerweise eingehende GNSS-Signale unter Verwendung eines Netzwerks von Basisstationen mit genau bekannten Positionen und übermitteln maßgeschneiderte Korrekturinformationen an Endbenutzer gegen eine Gebühr. Bei der codebasierten Positionierung werden diese als Differenzkorrekturen bezeichnet.

Bei Verwendung von hochpräzisen RTK-Verfahren (Real Time Kinematic) zur Trägerphasenverfolgung ermöglichen Korrekturen, die von einem nahegelegenen Referenzempfänger erhalten werden, eine Positionierung im Zentimeterbereich. Heute wird eine neue Generation von GNSS-Korrekturdiensten entwickelt, die einen alternativen Ansatz verfolgt und GNSS-Code- und Trägerphasen-Korrekturdaten für eine ganze geografische Region, z. ein Land oder einen ganzen Kontinent, über das Internet oder Satellit.

Die Kombination von Multikonstellations- und Multibandempfängern mit neuen GNSS-Korrekturschemata zur Erzielung von Genauigkeiten im Zentimeterbereich bei deutlich geringeren Betriebskosten ebnet den Weg für neue Arten von Massenmarktanwendungen für eine zentimetergenaue Positionierung mit hoher Genauigkeit .

Allerdings leidet GNSS weiterhin unter zwei Nachteilen:Die Empfänger müssen sich idealerweise in Sichtlinie der umkreisenden Satelliten befinden, um die Position zu bestimmen. In Innenräumen und in Tunneln sind die Dienste beeinträchtigt oder sogar nicht verfügbar. Und im besten Fall benötigt ein GNSS-Empfänger mehrere Sekunden, um seine Position erstmals aus einem Kaltstart eindeutig zu bestimmen. Angetrieben von Trägheitssensoren erweitern Koppelnavigationslösungen, die hauptsächlich auf Automobilanwendungen zugeschnitten sind, den Bereich der hochgenauen Positionierung über die Reichweite von GNSS-Signalen hinaus erheblich. Assisted GNSS (A-GNSS) beschleunigt die Zeit bis zum ersten Fix, indem es eine schnellere Möglichkeit bietet, GNSS-Orbit- und Taktdaten abzurufen als über die GNSS-Signale selbst.

Wie 5G die zellularbasierte Positionsbestimmung verbessert

5G New Radio, die nächste Generation der Mobilfunktechnologie, die vom 3GPP ab Release 15 definiert wird, ist bereits in der Entwicklung. ⁹ Endbenutzer in einigen Regionen werden bereits im ersten Halbjahr 2019 Zugang zu der nicht eigenständigen Architektur erhalten, die auf 4G LTE aufbaut, wobei Samsung und Verizon, LG und Sprint sowie Huawei Anfang 2019 5G-Smartphones auf den Markt bringen und Apple voraussichtlich folgen wird 2020. ¹⁰ Darauf folgt der Einsatz von eigenständigem 5G.

Mehrere Mobilfunknetzbetreiber haben bereits öffentlich den Einsatz von 5G-Netzen angekündigt, beginnend in urbanen Zentren. Die USA führen das Feld an. AT&T hat 2018 mit der Einführung begonnen und wird bis 2019 fortgesetzt, mit dem Ziel, Mitte des Jahres eine landesweite Abdeckung anzubieten. ¹¹ In Korea, dem zweiten Land, das am Rennen teilnimmt, haben Telekommunikationsunternehmen gemeinsam Pläne für die Einführung von 5G im März 2019 angekündigt. ¹² In Großbritannien kündigte Vodafone an, 2020 mit der Einführung der Technologie zu beginnen. Hochpräzise Ortungsdienste werden jedoch erst ab Release 16 gegen Ende 2019 Teil der 3GPP 5G NR-Spezifikationen werden, die Bereitstellung erfolgt frühestens im Jahr 2020.

Die treibenden Kräfte hinter 5G sind vielfältig. Neue Anwendungen stellen erhöhte Anforderungen an Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Abdeckung und Latenz der Mobilfunknetzleistung. Mobilfunknetzbetreiber setzen auf 5G, um neue Einnahmequellen aus Branchen der Branche zu erschließen. Chipsatz-Anbieter sehen in 5G eine Chance, den Umsatz durch die Lizenzierung von geistigen Eigentumsrechten zu steigern. Und die Benutzer erhalten die höheren Datenraten, die sie sich gewünscht haben.

Die 5G-Mobilfunktechnologie erfüllt diese unterschiedlichen Anforderungen durch drei wichtige Nutzungsszenarien:eMBB, uRLLC und mMTC, die wir im Folgenden kurz beschreiben.

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband) erweitert das Spektrum für die Mobilfunkkommunikation auf viel höhere Frequenzen, die Daten mit höheren Geschwindigkeiten transportieren.
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) eröffnet neue Möglichkeiten wie autonome Fahrzeuge und Vehicle-to-Everything (V2X)-Anwendungen.
• mMTC (Massive Machine Type Communications) wird die Entwicklung von IoT-Anwendungen in der Low Power Wide Area (LPWA)-Kommunikation weiterentwickeln.

Um die Positionsbestimmung in diesen Szenarien zu ermöglichen, sind neue Signale und eine neue Infrastruktur erforderlich, die genutzt werden kann, um die Palette der verfügbaren Techniken zu erweitern, ¹³ einschließlich größerer Bandbreiten bei höheren Frequenzen, mehr Antennen, die zu komplexen Antennenarrays kombiniert sind, und dichtere Telekommunikationsnetze. Die Ziele sind ehrgeizig:Positionsgenauigkeit im Submeterbereich mit geringer Latenz von unter 15 Millisekunden.

5G bietet größere Bandbreiten und Frequenzen

3GPP konzentriert sich derzeit darauf, eine Reihe von 4G-LTE-Positionierungsmethoden in 5G zu integrieren. Diese verwenden typischerweise Uplink- und Downlink-Signale, um die Position einzelner Endgeräte zu bestimmen, um ihre Position relativ zu Mobilfunknetzantennen zu bestimmen, die als Ankerpunkte dienen. Beispiele sind verbesserte Cell-ID- und TDOA-basierte Ansätze.

In Enhanced Cell-ID überwachen Endgeräte ihre Nähe zu mehreren Basisstationen, messen die Signalstärke und die ungefähre Laufzeit zum Gerät. Durch Kombinieren dieser Beobachtungen kann eine bessere Schätzung der Geräteposition berechnet werden, als nur das nächste Zellzentrum allein zu messen.

Bei TDOA-basierten Ansätzen misst das Endgerät die Ankunftszeiten von Signalen von mehreren Basisstationen genau. Durch Multilateration basierend auf den Zeitunterschieden zwischen beobachteten Empfangszeiten kann das Gerät seine Position zu den beobachteten Basisstationen genauer bestimmen als mit verbesserter Cell-ID.

Eine weitere Klasse ist der bisher wenig genutzte Sidelink, eine 4G LTE-Technologie mit Kommunikation von Gerät zu Gerät, die es Geräten ermöglichen kann, ihre Position relativ zueinander zu bestimmen. Ein offensichtlicher Anwendungsfall ist die Fahrzeug-zu-Fahrzeug-Kommunikation (V2V).

Die neue Spektrumszuweisung von 5G ist eine gute Nachricht für die zellularbasierte Positionsbestimmung, insbesondere aufgrund der Verfügbarkeit größerer Bandbreiten, die sich auf höheren Frequenzen befinden (mmWave über 24 GHz zusätzlich zu sub 6 GHz). Eine größere Bandbreite bedeutet, dass die Signalzeit genauer aufgelöst werden kann (es gibt eine umgekehrte Beziehung zwischen Zeit und Bandbreite), sodass größere Bandbreiten eine bessere Fähigkeit bieten, Mehrwegeeffekte aufzulösen, die Hauptfehlerquelle in unübersichtlichen städtischen und Innenräumen, da Signale, die sich unterschiedlich ausbreiten, Wege kommen zu unterschiedlichen Zeiten an.

Die Umstellung von 5G auf neue Frequenzen wirkt sich auch auf den geografischen Einsatz von Mobilfunkbasisstationen und die verwendeten Antennentechnologien aus, was wiederum der zellularbasierten Positionierung zugute kommt. Da sie höhere Ausbreitungsverluste verursachen, haben kürzere Wellenlängen eine geringere Reichweite als längere, was bedeutet, dass MNOs mehr Basisstationen bereitstellen müssen, um die Abdeckung aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wird die Einführung von Antennenarrays mit Beamforming-Fähigkeiten dazu beitragen, Signale an Endbenutzer zu richten. Eine höhere Dichte richtungsabhängiger Antennen verbessert die Auflösung von Mehrwegekomponenten durch Messung der Verzögerung, des Ankunftswinkels (AoA) und des Abflugwinkels (AoD), wodurch die Positionierungsleistung verbessert wird. Außerdem kann es möglich sein, Geräte mit einer einzigen Basisstation zu lokalisieren.

Allgegenwärtige hochpräzise Positionierung erfordert hybride Ansätze

Kein einzelner Ansatz wird in der Lage sein, die von den Zielanwendungsfällen geforderte Genauigkeit unter allen Umgebungsbedingungen zuverlässig bereitzustellen. Wie wir gesehen haben, sind die heutigen GNSS-basierten Lösungen zwar in der Lage, zuverlässig hochgenaue Positionen bereitzustellen, haben jedoch Einschränkungen für Anwendungen in Innenräumen. Auf der anderen Seite können 5G-basierte Ortungslösungen ergänzen und genaue Positionsschätzungen für Innen- und Außenszenarien liefern.

Am vielversprechendsten sind Hybridlösungen, die mehrere zellulare Ansätze mit nicht-zellularen Ansätzen optimal kombinieren, wie GNSS, terrestrische Beacon-Systeme (TBS), Messungen basierend auf Wi-Fi und Bluetooth und Trägheitsmessungen (IMU), um diese Ziele zu erreichen. Die zusätzlichen Redundanzen ermöglichen eine erhöhte Fehlertoleranz und eine verbesserte Integrität der Gesamtlösung und liefern ein quantitatives Maß an Vertrauen für jede Positionsschätzung.

In Anerkennung des Versprechens hybrider Ortungslösungen, neue Anwendungen zu ermöglichen, umfasst der 3GPP-Studienumfang GNSS- und Satellitensignale sowie terrestrische Signale wie Wi-Fi und Bluetooth und mehr. Die resultierenden Lösungen, die sich aus dem 3GPP-Studienpunkt ergeben, zielen auf die Einführung in die Funkspezifikationen für Release 16 – Q1 2020 ab.

Herausforderungen für das 3GPP

Das 3GPP hat sich ehrgeizige Ziele gesetzt, Release 16 ist für das erste Halbjahr 2020 geplant. Die Implementierung zellularbasierter Ortungslösungen zusätzlich zur vielfältigen Signallandschaft von 5G wird ein komplexes Unterfangen sein, ebenso wie die Förderung des rechtzeitigen Aufbaus der Infrastruktur, um eine ausreichend breite Abdeckung zu ermöglichen, um Anziehungskräfte zu erreichen eine ausreichend große Benutzerbasis.

Wie wir gesehen haben, werden hybride Positionierungsansätze entscheidend sein, um die strengen Anforderungen neuer Anwendungen zu erfüllen, insbesondere da die Erwartung einer hochgenauen Positionierung überall und jederzeit zur Norm wird. Dies erfordert unweigerlich, dass Vertreter verschiedener Technologien – sei es GNSS, Mobilfunk, Kurzstrecken, Satellitenkommunikation oder andere – zusammenarbeiten, um ein Ergebnis zu erzielen, das besser ist als die Summe seiner Bestandteile.

Die einzigartige Position von u-blox in der Branche als führender Anbieter von GNSS-, Kurzstrecken- und Mobilfunktechnologie macht das Aufkommen von 5G-Positionierungsansätzen, insbesondere solchen, die Technologien kombinieren, besonders spannend. Die hybride Positionierung baut auf der Konvergenz unserer Kernkompetenzen auf und wir sehen ein enormes Potenzial für Innovationen, neue Leistungsniveaus und neue Anwendungsfälle. Da wir dazu beitragen, das Zusammenkommen dieser verschiedenen Welten zu beschleunigen, um eine bessere und umfassendere Lösung bereitzustellen, können wir nicht anders, als uns auf das Ergebnis zu freuen.

Dieser Artikel wurde von David Bartlett, Senior Principal Engineer, Product Center Positioning bei u-blox, mitverfasst.

Referenzen

• 1) FCC 911- und E911-Dienste
• 2) Zusammenfassungen der EU-Gesetzgebung:Erschwingliche Telekommunikationsdienste – Nutzerrechte
• 3) Basierend auf „Evolution of Positioning Techniques in Cellular Networks, from 2G to 4G“, Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE steht für User Equipment
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Technischer Bericht, Partnerschaftsprojekt der 3. Generation; Technische Spezifikationen Group Services und Systemaspekte; Studie zu Anwendungsfällen zur Positionierung; Stufe 1, (Version 16)
• 7) Hochpräzise Positionierung für Cooperative-ITS (HIGHTS), Projektergebnis D2.1:Anwendungsfälle und Anwendungsanforderungen (1. Mai 2015)
• 8) Bericht über die Bedürfnisse und Anforderungen der Straßennutzer, Ergebnis der USER Consultation Platform des European GNSS, European Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA) (18. Oktober 2018)
• 9) Meilenstein der Systemarchitektur von 5G Phase 1 erreicht, 3GPP, (21. Dezember 2017)
• 10) Top-5G-Telefone:Jedes angekündigte 5G-Telefon wird 2019 noch kommen
• 11) AT&T nennt 99 neue 5G-Entwicklungsmärkte
• 12) Betreiber von Mobilfunkanbietern verpflichten sich zum „Korea 5G Day“
• 13) Whitepaper zu neuen Lokalisierungsmethoden für 5G-Wireless-Systeme und das Internet der Dinge, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

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