Wie 5G Release 16 die Ortungsgenauigkeit revolutionieren wird

3GPP Release 16 verspricht günstigere, zuverlässigere Hochpräzisions-Ortungsdienste durch Nutzung neuer Signalmerkmale und Integration diverser nicht-zellulärer Technologien – der Türöffner für hybrides Positionieren.

Wenn wir auf dem Smartphone eine GPS-Koordinate antippen, erhalten wir eine statistische Schätzung. Dieser Wert repräsentiert eine Wahrscheinlichkeit – oft 50 % –, dass sich das Gerät innerhalb eines bestimmten Radius, etwa 1 Meter, um die gemeldete Position befindet. Wie viel Vertrauen wir diesem Wert schenken, hängt davon ab, wie die zugrundeliegenden Daten generiert und verifiziert werden.

Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS)

GNSS war lange der Goldstandard für präzises Positionieren, doch der wachsende Bedarf an sicherheitskritischen, hochpräzisen Anwendungen verlangt nach robusten Konfidenzmetriken und Fallback-Optionen, wenn Satellitensignale ausfallen.

Mobilfunkmodems bieten bereits grobes Positionieren durch Triangulation zellulärer Signale. Führende Hersteller wie u‑blox bieten hybride Module, die GNSS mit zellularen Daten kombinieren, um Abdeckung und Zuverlässigkeit zu erweitern.

5G-Positionierung – ein oft übersehener Aspekt des 5G-Ökosystems – wird nun von der industriegetriebenen 3GPP standardisiert. Diese Organisation, die sieben technische Gremien und hunderte Firmenmitglieder vereint, steuert 5G-Positionierung auf die Bedürfnisse diverser Vertikalen zu.

Ein kurzer Rückblick

Positionierung war von Anfang an integraler Bestandteil zellularer Netze, ursprünglich genutzt, um Anrufe zur richtigen Basisstation zu routen. Regulatorische Forderungen für Notfalldienste 1999 und in der EU 2002 beschleunigten die Evolution zellularer Ortungsdienste, die 3GPP kontinuierlich verfeinert hat.

Heutige 4G-LTE-Infrastruktur bietet eine Suite von Ortungsmethoden – Cell-ID, Enhanced Cell-ID, TDOA und mehr –, jede mit variierender Genauigkeit und Abdeckung. Die beiliegende Tabelle (siehe Abbildung 1) fasst diese Techniken zusammen.

Tabelle 1. Die wichtigsten 4G-LTE-Ortungsdienste

Neue Use Cases und Anforderungen

Jenseits regulatorischer Mandate fordert eine wachsende Kohorte aus Hardware-Herstellern, Raumfahrtbehörden und Betreibern Submeter-Präzision für Services der nächsten Generation. Anwendungen reichen von autonomen Fahrzeugen und UAVs bis hin zu Smart Cities, Wearables und AR.

5G verspricht eine Mischung aus absoluter und relativer Positionierung, jeweils begleitet von einem quantifizierten Konfidenzniveau. Wesentliche Performance-Indikatoren – horizontale/vertikale Genauigkeit, relative Genauigkeit, Time-to-First-Fix, Geschwindigkeitspräzision, Stromverbrauch, Latenz und Sicherheit – werden in Release 16 weiter verfeinert.

Abbildung 1 illustriert die strengen Genauigkeitsziele für drei Vertikale – UAV-Missionen, IIoT-Tracking und autonomes Fahren – basierend auf 3GPP TR 22.872 und verwandten Studien.

Wie die neue Generation von GNSS-Empfängern das Positionieren verändert

Moderne GNSS-Empfänger greifen nun auf mehrere Konstellationen zu – GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou – und in vielen Fällen auch auf regionale Augmentationssysteme. Multi-Konstellations-, Multi-Band-Geräte (z. B. u‑blox F9) können mehr Satelliten erfassen, selbst in urbanen Canyons, was sowohl Genauigkeit als auch Time-to-Fix verbessert.

Dual-Band-Empfänger mildern ionosphärische Verzögerungen durch Ausnutzung der Frequenzdiversität und reduzieren durchschnittliche Fehler von ~2,5 m auf unter 1 m unter freiem Himmel. Kommerzielle Korrekturdienste, einschließlich Differential- und RTK-Verfahren, treiben die Genauigkeit weiter in den Zentimeterbereich.

Aufkommende Broadcast-basierte Korrekturschemata zielen darauf ab, Hochpräzisionsdaten über ganze Regionen via Internet oder Satellit bereitzustellen, was Kosten senkt bei Erhalt der Genauigkeit.

GNSS kämpft weiterhin indoor und in Tunneln und leidet unter Cold-Start-Verzögerungen von mehreren Sekunden. Assisted GNSS (A-GNSS) und Inertiale Navigationssysteme (INS) können diese Lücken schließen, besonders im automobilen Kontext.

Wie 5G neue Verbesserungen für zellularbasiertes Positionieren bringt

5G New Radio, definiert in 3GPP Release 15, rollt bereits in Non-Standalone- und Standalone-Konfigurationen weltweit aus. Obwohl die ersten kommerziellen 5G-Deployments 2019 begannen, werden Hochpräzisions-Positionierungsstandards in Release 16 eingeführt, geplant für Ende 2019 mit 2020-Deployment.

Betreiber sehen 5G als Umsatztreiber in drei Kernszenarien: eMBB (Enhanced Mobile Broadband), uRLLC (Ultra-Reliable Low-Latency Communications) und mMTC (Massive Machine-Type Communications). Jedes Szenario verlangt engere Genauigkeit, geringere Latenz und höhere Zuverlässigkeit.

• eMBB: Höhere Frequenzen und größere Bandbreiten liefern schnellere Daten.
• uRLLC: Kritisch für autonome Fahrzeuge und V2X-Anwendungen.
• mMTC: Unterstützt das wachsende IoT-Ökosystem.

Zellulares Positionieren wird Uplink- und Downlink-Signale, Enhanced Cell-ID, TDOA und potenziell Sidelink-Device-to-Device-Techniken nutzen. 5Gs breitere Bandbreiten, besonders in mmWave-Bändern über 24 GHz, schärfen die Zeitauflösung und mindern Multipath-Interferenzen.

Höhere Frequenz-Deployments führen zu dichteren Basisstationsnetzen und fortschrittlichen Antennenarrays mit Beamforming, was Delay-, Angle-of-Arrival- und Angle-of-Departure-Messungen verbessert. In manchen Fällen kann eine einzelne Basisstation für genaue Lokalisierung ausreichen.

Ubiquitäres Hochpräzisions-Positionieren erfordert hybride Ansätze

Keine einzelne Technologie kann die strengen Genauigkeitsanforderungen über alle Umgebungen hinweg garantieren. GNSS glänzt outdoor, scheitert aber indoor; 5G funktioniert sowohl indoor als auch outdoor. Hybride Lösungen, die GNSS, zellulare Signale, Wi‑Fi, Bluetooth, terrestrische Beacons und Inertialdaten fusionieren, bieten die Redundanz und Integrität, die für hochkonfidentes Positionieren nötig sind.

Der Studienumfang von 3GPP umfasst explizit GNSS, terrestrische Signale und Kurzstreckenfunk, mit Ziel auf Release-16-Spezifikationen bis Q1 2020.

Herausforderungen für die 3GPP

Die Bereitstellung zellularbasierter Positionierung in 5Gs diverser Signallandschaft erfordert komplexe Integration und rasche Infrastrukturbereitstellung. Die Industrie muss über GNSS, zellular, Satellit und Kurzstrecken-Domänen hinweg kollaborieren, um Lösungen zu schaffen, die mehr sind als die Summe ihrer Teile.

u‑blox' Expertise in GNSS, Kurzstreckenfunk und zellularen Technologien positioniert es einzigartig, um 5G-Hybrid-Positionierung zu beschleunigen, Innovation zu fördern und neue Anwendungen freizuschalten.

Dieser Artikel wurde gemeinsam von David Bartlett, Senior Principal Engineer, Product Center Positioning bei u‑blox, verfasst.

Referenzen

• 1) FCC 911 und E911 Services
• 2) Zusammenfassungen der EU-Gesetzgebung: Erschwingliche Telekommunikationsdienste – Nutzerrechte
• 3) "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), Technical Report, 3rd Generation Partnership Project
• 7) High precision positioning for Cooperative‑ITS (HIGHTS), Project Deliverable D2.1
• 8) Report on Road User Needs and Requirements, European GNSS Agency (GSA) (Oktober 18, 2018)
• 9) System architecture milestone of 5G Phase 1 is achieved, 3GPP, (Dezember 21, 2017)
• 10) Top 5G phones: every 5G phone announced and still to come in 2019
• 11) AT&T Names 99 New 5G Evolution Markets
• 12) Carrier heads commit to 'Korea 5G Day'
• 13) Whitepaper on New Localization Methods for 5G Wireless Systems and the Internet‑of‑Things, COST Action CA15104, IRACON

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