趙亞東，尉志青，馮志勇，劉崇華( 北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室，北京 00876； 中國航天科技集團公司第五研究院，北京 00094)

衛(wèi)星導航與5G移動通信融合架構與關鍵技術＊

趙亞東1，尉志青1，馮志勇1，劉崇華2
(1 北京郵電大學泛網無線通信教育部重點實驗室，北京 100876；2 中國航天科技集團公司第五研究院，北京 100094)

隨著我國社會經濟科技等領域的飛速發(fā)展，衛(wèi)星導航技術在經濟建設中占有越來越重要的位置。同時，以提供定位服務的小區(qū)密集化、大規(guī)模陣列天線等技術為代表的5G通信為導航通信一體化奠定了基礎。衛(wèi)星導航和5G移動通信技術的融合，將極大地擴展導航的范圍，提升導航的精度。本文綜合國內外最新研究成果，首先提出了衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構；然后在總結A-GNSS技術的基礎上，闡述了基于5G的A-GNSS系統(tǒng)架構和關鍵技術；最后，在介紹5G基站定位技術的基礎上，全面詳細地闡述了衛(wèi)星導航與5G混合定位架構和關鍵技術。

導航通信一體化；5G；融合架構；A-GNSS；混合定位

1 引言

衛(wèi)星導航是關系到國家安全和經濟發(fā)展的關鍵技術體系[1～2]。在現(xiàn)有的基于位置的應用中，衛(wèi)星導航和移動通信往往是分離或者簡單地結合，并不能充分利用各自的優(yōu)勢。衛(wèi)星導航和通信的深度融合，尤其是與5G移動通信系統(tǒng)的融合將能使得導航和通信相輔相成，互相促進，為用戶提供穩(wěn)定可靠的服務。實現(xiàn)衛(wèi)星導航與5G移動通信融合，一方面，可以極大地擴展導航的范圍，提升導航的精度。另一方面，導航系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能，從而應用于應急救援、遠洋航行等場景。

國外關于衛(wèi)星導航與通信融合的研究比較超前。Fernandez等人在文獻[3]中基于IEEE 802.16體制設計了導航通信一體化方案，其采用4G技術作為衛(wèi)星導航、通信的技術方案，實現(xiàn)了星間厘米級的定位精度。Diglys等人在文獻[4]中提出了一種利用地面蜂窩基站輔助傳輸全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號的方法，另外他們也提出利用地面蜂窩系統(tǒng)更正GPS誤差的方法。Gentner等人在文獻[5]中基于3GPP-LTE系統(tǒng)，研究利用OFDM信號的TDOA、同步和信噪比估計實現(xiàn)基站定位的方法，以擴展GPS定位在室內和城市地區(qū)的盲區(qū)。國內關于衛(wèi)星導航與通信融合的研究比較滯后。西安高科技研究所Yang等人在文獻[6]中研究了衛(wèi)星和基站協(xié)同定位的方案，以擴大定位范圍，提升定位精度。東南大學的Fan等人在文獻[7]中研究了衛(wèi)星/基站混合定位方法。

本文綜合國內外最新研究成果，首先提出了衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構；然后在總結A-GNSS技術的基礎上，闡述了基于5G的A-GNSS系統(tǒng)架構和關鍵技術；在介紹5G基站定位技術的基礎上，全面詳細地闡述了衛(wèi)星導航與5G混合定位架構和關鍵技術；最后對全文進行了總結。

2 衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構

衛(wèi)星導航和5G通信的融合有3個層面，第一個層面是硬件的一體化，在架構層面將二者進行組合，比如通信的芯片和導航的芯片集成在一個設備之內。第二個層面是協(xié)議的一體化，即在協(xié)議層面將導航和通信進行一體化設計。第三個層面是波形一體化，即在物理層實現(xiàn)導航和通信的深度融合。導航通信融合的方式主要有兩種：一是利用通信衛(wèi)星或者地面通信系統(tǒng)，實現(xiàn)導航增強系統(tǒng)，滿足用戶在定位、測速和授時方面提升精度和擴展范圍的需求。二是利用導航系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能，滿足用戶應急通信的需求。

5G以高速率、低時延、大量連接等為特征，得到了國內外學者和標準化組織的研究[8]。5G的關鍵技術包括大規(guī)模天線陣列、超密集組網、新型多址、全頻譜接入和新型網絡架構等。在5G移動通信網絡中，一方面，小區(qū)密集化、大規(guī)模陣列天線等技術的大量應用，可以極大地增強衛(wèi)星導航功能；另一方面，導航衛(wèi)星在實現(xiàn)通信功能時也可以采用5G關鍵技術，如OFDM、大規(guī)模天線等，實現(xiàn)通信信息的高效傳送。

本文利用SDN和NFV技術，將衛(wèi)星網絡融合到5G 網絡架構中，提出了一種衛(wèi)星導航與5G移動通信融合網絡架構方案，如圖1所示。本架構在5G地面網絡架構中融入衛(wèi)星網絡，從核心網的角度來實現(xiàn)衛(wèi)星導航和地面移動網絡的融合，即衛(wèi)星網絡和5G移動網絡共用一個核心網。SDN恰恰體現(xiàn)了網絡中的控制與轉發(fā)分離的思想，將核心網使用SDN和NFV技術把各個網元的功能實體實現(xiàn)軟件化，可以解決兩個網絡在核心網融合方面的問題。

衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構主要包括：用戶終端、基站、核心網。其中，用戶終端采用衛(wèi)星和地面雙模模式，分別相應地接入衛(wèi)星基站和地面基站；基站包括衛(wèi)星基站和地面基站，主要功能有無線資源管理、IP包頭壓縮、安全性管理等；核心網包括核心網處理云和核心網轉發(fā)云，處理云是控制面，負責處理所有控制信息，轉發(fā)云在處理云的控制下負責所有的業(yè)務數(shù)據的轉發(fā)。

3 基于5G的A-GNSS技術

3.1 基于5G的A-GNSS系統(tǒng)架構

如圖2所示，基于5G的輔助全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（A-GNSS）包括基于5G的C-RAN網絡和A-GNSS系統(tǒng)兩部分組成?；?G的C-RAN 架構主要包括3個組成部分：由遠端無線射頻單元(RRH)和天線組成的RRU部署、由集中式基帶處理池（BBU池）組成的本地C-RAN以及后臺云服務器[9]。分布式的遠端無線射頻單元提供了一個高容量、廣覆蓋的無線網絡，RRU部署一直是未來集中式無線接入網的研究熱點。本地C-RAN負責管理調度集中化的BBU池，使其高效利用，從而減少調度與運行的消耗。后臺云服務器作為一個龐大的服務器數(shù)據中心分為不同的專用虛擬網，與本地C-RAN之間的網絡單元通過光纖相互連接。

圖1 衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構

A-GNSS系統(tǒng)由全球導航衛(wèi)星、衛(wèi)星服務器和A-GNSS接收機三部分組成。

基于5G的A-GNSS系統(tǒng)定位原理就是將基于5G的C-RAN網絡和A-GNSS系統(tǒng)進行融合，將兩者的定位和通信功能相結合，從而更迅速更準確的獲取終端位置信息。首先，A-GNSS接收機終端發(fā)出定位請求，衛(wèi)星服務器接受到定位請求后，利用基于5G的C-RAN網絡查詢當前小區(qū)位置可用的衛(wèi)星信息，產生捕獲、歷書、星歷、時間、頻率、位置等輔助信息通過5G網絡傳輸給A-GNSS接收機。A-GNSS接收機利用輔助數(shù)據，快速準確的捕獲衛(wèi)星信號，并自主計算定位結果。

3.2 基于5G的A-GNSS關鍵技術

基于5G的A-GNSS技術利用MS-Assisted和MS-Based兩種輔助模式來進行測量和定位，通過用戶設備的無線電接收器實現(xiàn)GNSS信號的接收。在多衛(wèi)星聯(lián)合使用時，導航衛(wèi)星信號的有效數(shù)量將會增加，可通過在定位過程中增加數(shù)據冗余量，改進測距時的測量方法等多種路徑加以實現(xiàn)。在GNSS與E-UTRAN互聯(lián)時，可減少UE的GNSS啟動和采集時間，增加UE的GNSS靈敏度的同時實現(xiàn)節(jié)能，來提升UE及系統(tǒng)性能。

如圖3所示，基于5G的定位技術可以仿照LTE系統(tǒng)定位網絡架構[10]，MME接收來自UE 的定位請求，或者MME主動發(fā)起定位業(yè)務，則MME 應向演進服務移動位置中心E-SMLC發(fā)起定位業(yè)務請求，E-SMLC處理定位業(yè)務請求，包含向目標UE 發(fā)送輔助數(shù)據，以輔助UE 進行定位。

圖2 基于5G的A-GNSS系統(tǒng)架構圖

圖3 LTE系統(tǒng)定位網絡架構

相比于基于LTE的A-GNSS，基于5G的A-GNSS技術具有以下的優(yōu)勢。

（1）定位精度得到大幅度提高。輔助信息使得A-GNSS接收機能捕獲和跟蹤較弱衛(wèi)星信號，有更好的定位集合精度的因子，定位精度有一定的改善。

（2）接收機靈敏度更高。由于A-GNSS接收機可以獲知粗略的多普勒頻偏，搜索的頻率范圍較少，因此，A-GNSS接收機可以維持的分格數(shù)不變的條件下，增加相關積分時間。

（3）在一些特定的場合中，由于5G小區(qū)密集化覆蓋的特點，A-GNSS在地表以下的定位精度也會得到改善。

由于以小區(qū)密集化、大規(guī)模陣列天線等為代表的5G技術中有較多的基于位置的服務，因此基于5G的A-GNSS技術可以極大地增強衛(wèi)星導航定位功能。一方面，我們利用5G基站作為衛(wèi)星導航的地面增強站，可以傳輸導航校正信息，輔助衛(wèi)星導航定位；另一方面，我們利用5G基站覆蓋小，傳輸方向性好等特點，結合衛(wèi)星定位與蜂窩定位技術，可以為用戶提供良好的定位服務。

4 衛(wèi)星導航與5G混合定位技術

4.1 5G蜂窩室內定位技術

相比于2G/3G/4G蜂窩室內定位技術，5G蜂窩室內定位可以充分利用毫米波（mmWave）、小基站密集化部署（Small Cell）和波束形成的定位優(yōu)勢，來實現(xiàn)更加精確的定位。以飛小區(qū)（Femtocell）為例，它是一種小型、低功率的蜂窩技術，覆蓋半徑在10～50m左右。相比于WLAN蜂窩室內定位，采用Femtocell部署進行5G蜂窩室內定位具有以下優(yōu)勢。

（1）定位精度高。5G室內定位利用毫米波特有的窄波束、信號強度衰減快等特點，使用波束形成與指紋定位相結合的方式進行定位。通過波束形成縮小定位范圍，再采用基于接收信號強度的指紋定位方法進行聯(lián)合定位，可以有效地提高5G蜂窩室內定位精度。

（2）部署性價比高。相較于WLAN等傳統(tǒng)室內覆蓋設備，F(xiàn)emtocell的部署成本更低。同時，F(xiàn)emtocell部署更加靈活，即插即用。此外，F(xiàn)emtocell還能滿足多業(yè)務需求。

通過Femtocell等小站密集化部署，本文提出一種基于DoA估計輔助的5G室內地理指紋定位方法。將DoA估計方法融入到地理指紋定位中，在地理指紋定位時縮小定位目標位置范圍，從而明顯提升定位性能。

首先，進行地理指紋離線數(shù)據庫建立，在定位區(qū)域內設置n個參考節(jié)點（RP）和m個接入節(jié)點（AP），將信號發(fā)射機放置在各個AP，利用分布在監(jiān)測區(qū)域中的接收機接收信號，遍歷定位區(qū)域內的所有RP并進行多次RSSI采樣和平均，形成指紋圖。

然后，通過傳統(tǒng)地理指紋算法進行在線信源位置估計，通過接收機接收到的信號強度信息，與指紋圖數(shù)據庫中的數(shù)據進行匹配，通過計算歐式距離，估計出與當前接收信號強度特征最接近的K個監(jiān)測點，保存為LF-RP。

第三，使用Music等算法進行DoA估計判斷目標角度，通過3個AP的波束角度的交叉重疊得出目標的范圍，找出交叉范圍內的參考節(jié)點RP，保存為DoARP。

第四，比對DoA-RP與LF-RP，觀察兩者之間是否有重疊。如果有，找出其中重合的M（M＜K）個參考節(jié)點，對這M個參考節(jié)點，采用加權K近鄰算法進行加權求均值，并得出最終的目標定位坐標；如果沒有，增大DoA估計的波束寬度，再重復上述兩步驟。

4.2 衛(wèi)星導航與5G基站混合定位架構

衛(wèi)星導航/5G基站混合定位架構需要在網絡與終端之間交互輔助數(shù)據和定位信息，它既可以在控制平面也可以在數(shù)據平面實現(xiàn)。相對來說，控制平面的實現(xiàn)方式需要用到專用控制信道并且會顯著地增加移動網絡的運營成本，而在用戶平面的實現(xiàn)方式更容易被用于商業(yè)應用，并且隨著終端的升級換代，定位算法也可以不斷升級，加快技術的更新迭代周期。

如圖4所示，用戶終端的數(shù)據平面定位協(xié)議發(fā)現(xiàn)各條導航鏈路，并且評估各條導航定位鏈路對導航精度的提升，進而選擇4條合適的鏈路，并且基于TDOA技術進行定位，解算出用戶終端的位置信息。在不同的場景下，用戶平面篩選出來的鏈路是不同的。比如在室外空曠場景下，衛(wèi)星鏈路更加精確，于是終端通過4條衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)定位；在室內場景下，終端接收不到導航衛(wèi)星的信號，于是終端通過基站鏈路實現(xiàn)定位；在城市有遮擋的場景下，衛(wèi)星鏈路不足4條，于是補充部分精度較高的基站鏈路實現(xiàn)定位。

圖4 衛(wèi)星導航與5G基站混合定位架構

4.3 衛(wèi)星導航與5G混合定位關鍵技術

現(xiàn)在較為成熟的基站定位技術有基于TA的定位方法、U-TDoA、E-OTD和GNSS方法。5G普遍采用毫米波通信，由于毫米波優(yōu)良的方向性，可以實現(xiàn)精確的測角、測距等，能得到比TDoA方法更高的精度，從而實現(xiàn)精確的基站定位。5G采用大規(guī)模天線技術，由于大規(guī)模天線具有更高的自由度，可以實現(xiàn)更高精度的測距和測角特性，基于AOA的定位方法將會具有更高的精度。

為了擴展定位范圍，實現(xiàn)室內和城市地區(qū)的高精度定位，我們利用衛(wèi)星導航與5G基站混合定位方法。根據5G的技術特征，5G基站/衛(wèi)星定位導航方案可以分為兩類，一是衛(wèi)星定位和5G基站定位的切換，二是衛(wèi)星定位和5G基站定位的深度融合。第一種方法側重在根據環(huán)境的變化靈活切換衛(wèi)星定位于5G基站定位；第二種方法側重在實現(xiàn)兩種定位方案的結合。

4.3.1 衛(wèi)星定位和5G基站定位的切換

在終端集成衛(wèi)星定位和基站定位方案提出之后，在不同的場景靈活切換兩種定位方法，可以擴展定位的范圍。比如終端在空曠的區(qū)域，可以利用衛(wèi)星定位。而在室內，則可以切換到基站定位的方法。當終端在室內或者城市有遮擋的環(huán)境下無法接收導航衛(wèi)星的信號，可以利用5G基站的覆蓋范圍較小的特點，采用地理指紋方法進行定位。

4.3.2 衛(wèi)星定位和5G基站定位的深度融合

雖然基于毫米波、小基站密集化部署的5G基站室內定位技術相比于傳統(tǒng)的WLAN定位技術，定位精度有了顯著的提升，但是相比于衛(wèi)星鏈路，5G基站定位在覆蓋范圍上有明顯的不足。此外，在復雜的室外環(huán)境中，5G毫米波的定位精度會由于多徑損耗等原因導致精度降低。因此，綜合利用導航衛(wèi)星和5G基站定位的各自優(yōu)點，實現(xiàn)衛(wèi)星定位和5G基站定位的深度融合，不僅可以提升定位精度，也能擴大定位范圍。

由于基站鏈路的測距性能不如衛(wèi)星鏈路，因此在有導航衛(wèi)星信號的時候優(yōu)先使用導航衛(wèi)星。而在城市等有遮擋的環(huán)境中，終端可見的導航衛(wèi)星數(shù)目不足4個，這時就需要基站定位來補充。如圖5所示，在有遮擋的環(huán)境下，終端只能接收到2個導航衛(wèi)星的信號，這時就需要2個基站參與進來。相比衛(wèi)星定位和5G基站定位的切換方案，本方案因為優(yōu)先利用導航衛(wèi)星鏈路，因此定位精度更高，但是在技術實現(xiàn)上也較為復雜。

圖5 衛(wèi)星導航鏈路不足的情況下5G基站/衛(wèi)星混合定位系統(tǒng)

不管是衛(wèi)星導航定位技術還是利用以毫米波和小基站密集化部署為代表的5G新興技術進行定位都有其局限性。未來室內定位技術的趨勢是衛(wèi)星導航技術與5G無線定位技術相結合，將GPS定位技術與5G基站定位技術有機結合，發(fā)揮各自的優(yōu)長，則既可以提供較好的精度和響應速度，又可以覆蓋較廣的范圍，實現(xiàn)無縫的、精確的定位。

5 結束語

本文綜合國內外最新研究成果，首先提出了衛(wèi)星導航與5G移動通信融合體系架構；然后在總結A-GNSS技術的基礎上，闡述了基于5G的A-GNSS系統(tǒng)架構和關鍵技術；在介紹5G基站定位技術的基礎上，全面詳細地闡述了衛(wèi)星導航與5G混合定位架構和關鍵技術；最后對全文進行了總結。衛(wèi)星導航和5G移動通信技術的融合，將極大地擴展導航的范圍，提升導航的精度，使得導航和通信相輔相成，互相促進。

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Fusion architecture and key technologies of satellite navigation and 5G mobile communication

ZHAO Ya-dong1, WEI Zhi-qing1, FENG Zhi-yong1, LIU Chong-hua2
(1 Key Laboratory of Universal Wireless Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

With the rapid development of economy and technology, satellite navigation technology plays an increasingly important role in economic construction. At the same time, 5G communication technology such as large-scale array antenna lays the foundation for the navigation satellite navigation and communication integration. Integration of 5G mobile communication technology will greatly expand the scope of navigation and improve navigation accuracy. This paper synthesized the latest research results at home and abroad, and fi rst proposed the 5G satellite navigation and mobile communication integration architecture; Then based on the summary of A-GNSS technology, this paper described the A-GNSS based on 5G system architecture and key technology; Finally, based on the introduction of the 5G base station positioning technology, satellite navigation and positioning 5G hybrid architecture and key technologies were comprehensively expounded in detail.

navigation and communication integration; 5G; fusion framework; A-GNSS; hybrid positioning

TN929.5

A

1008-5599（2017）01-0048-06

2016-11-22

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（No. 2015AA01A705）；國家自然科學基金（No. 61540021，61525101）。