緊接著上一期無線定位技術漫談，在本期和后續(xù)幾期公眾號當中，我們談一談相對領先的ToA和TDoA定位技術的異同和演化，以及已經在“理論上”顯露出優(yōu)勢的基于5G網絡的定位技術改善。但請讀者注意“理論上”的限定語……還是那句話，理想豐滿現(xiàn)實骨感，任何存在于理論上的優(yōu)勢也不是都能在實際部署當中落地。正是因為3GPP太希望在5G上畢其功于一役，定義大量理論上的優(yōu)秀核心特性于一張無線網絡之上，從而不可避免地給5G部署工程帶來過多的不確定性和爭議，甚至出現(xiàn)網絡能力跑贏市場需求的反?，F(xiàn)象。

但不管如何，5G在對于定位業(yè)務的支撐上，確實花了心思，也體現(xiàn)出技術標準的眾多建議方在不斷的市場需求和技術應對的迭代歷練中，體現(xiàn)出強烈的向上趨勢。也許最終滿足人類活動大部分的定位需求還需時日，但技術向上的趨勢已經可以讓我們看到希望了。

本來寫這個系列的公眾號文章，目標是圍繞華為的Petal map和其背后可能用到的定位技術的。但小編寫著寫著就發(fā)現(xiàn)，如果打算將這個話題展開和深入，那么對無線定位技術的系統(tǒng)性介紹，就不可或缺了。尤其對于華為來說，其為毫無爭議的現(xiàn)代無線通訊技術領軍者，這個話題里所有談到的無線定位技術、概念和產品，在華為的產品中和標準中，都有可能涉及。故此，我們還是延續(xù)上一期關于無線定位技術的漫談，暫時脫離Petal map這個具體技術，慢慢把“無線定位”這個大背景故事補足補全。有興趣的讀者請耐心閱讀。

圖一【huawei petal map-25.png】初始來源不詳，從與非網文章《5G的高精度定位》截圖獲取，URL https://www.eefocus.com/communication/463840；

圖1中的橙色圈和藍色圈是我們上一期公眾號的主題，分別對應早期的ECID定位技術和后續(xù)的RFPM pattern matching技術。我們對比兩種技術的適用場景時可以發(fā)現(xiàn)，雖然RFPM在定位精度上比ECID前進了一個數(shù)量級，從100m尺度進化到10m尺度，但RFPM的硬傷依然存在，那就是部署成本太高。部署成本包含：RF pattern初始數(shù)據庫的建立和不斷維護更新，兩方面都涉及大量人力物力的投入。如果一旦RFPM定位業(yè)務推廣有問題，那么成本壓力就會凸顯出來，從而反過來影響RFPM定位精度（小編：沒錢賺自然沒有動力去更新關鍵的RFPM數(shù)據庫）。實際上，小編幾乎沒有聽說過有運營商在實際部署RFPM的案例——國內肯定是沒有。當然，RFPM的優(yōu)點同樣突出，它確實不需要新增部署專門的無線網絡，可以完全和通訊無線網絡在功能上解耦合，也不需要在無線網絡內部增加任何占用寶貴頻譜資源的定位信令開銷，更能提供一定的多徑對抗能力，這一點在室內定位場景中尤其重要。因此RFPM也確實在一些單純的室內定位環(huán)境下找到了生存空間（小編：室內環(huán)境面積有限，RFPM初始定位指紋數(shù)據庫的建立和維護成本可以接受）。以WiFi為例，基于WiFi接入技術的RFPM射頻指紋技術，還是比較流行的。以企業(yè)為單位可以自行部署、實施和維護RFPM定位指紋數(shù)據庫，日常維護的開銷也不算太大，因而得以流行。

由此，我們可以看到這個定位技術上的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出了上圖1所描繪的態(tài)勢，Indoor室內環(huán)境下和Outdoor室外粗定位環(huán)境下，可以分別由RFPM和ECID技術支撐，基本可以滿足市場需求。但針對室外的更高精度的定位需求，特別是在密集城區(qū)（Urban區(qū)域）多徑環(huán)境惡劣的條件下，ECID的定位精度差強人意和RFPM的高昂部署成本，就成為必須要克服的技術短板了。在這個大趨勢下，TDoA-Time Difference of Arrival無線定位技術應運而生了（小編：即上圖1中間的綠色圈，請讀者注意它和橙色、藍色圈之間的關系）。TDoA正是針對在密集城區(qū)提供室外環(huán)境下10m級別的定位精度所邁出的重要一步！

ToA和TDoA定位技術的異同

TDoA全稱為Time Difference ofArrival（到達時間差）定位方法，是利用多點位到達同一客戶端的路程耗時時間差來進行定位核算的，后面我們再細說它的基礎概念?，F(xiàn)在讀者只需要知道，當前技術條件下，對于現(xiàn)代通訊網絡體系來說，最好的基于時間（電磁波路程耗時）的定位方法，基本就是TDoA了，沒有其他選擇。

比TDoA更早也更直接的定位方法叫做ToA-Time of Arrival，是直接基于到達時間（絕對時間）的定位方法。ToA定位的本質和TDoA一樣，也是基于電磁波傳播消耗時間這個基本原理的。但ToA的缺點在于有個嚴格約束條件，即參與測距的雙方，需要實現(xiàn)信號發(fā)送設備（基站）和接收設備（手機）之間必須時鐘同步（小編：這就意味著參與定位的基站設備之間也自然保持時鐘同步了）。如果基站與手機之間時間不同步（小編：手機作為終端設備和基站之間只存在無線接口，在這個無線接口上實現(xiàn)足夠精確的時間同步在技術上不是不可能，但一個是成本太高，另一個是通訊機制里也沒有這個必要），信號的發(fā)送方和接收方雙方都不知道信號的絕對時間（基準），這樣會造成信號在空中飛行的時間估算和定位誤差。這個誤差在定位領域是不可忽略的，讀者可以自己計算一下，光速即電磁波的傳播速度是3*10的8次方（米），這就意味著基站和手機在時間上的微小不同步都會導致時間-距離定位方法的誤差：

毫秒級別的同步誤差就不提了，10的負3次方，會導致10的5次方米（百公里）的誤差；

微秒級別的同步誤差，10的負6次方，會導致10的2次方米（百米）的誤差；

納秒級別的同步誤差，10的負9次方，僅會產生0.x米（分米）級別的誤差。

讀者需要特別注意的是，以上所羅列的誤差只是偽距的誤差，就是從手機到基站直線距離的誤差，而非最終手機自身的定位經緯度誤差，這之間有一個幾何轉換關系就不多說了?？傊?，在空中無線接口上，要做到基站和手機客戶端之間的精準時間同步（納秒級別是必須的）是利用ToA定位方法實現(xiàn)精準定位的前提，沒有納秒級別的時間同步基礎，就無法提供足夠精確的偽距，也就無法獲取最終的終端地理定位精度。當然，可能有的讀者已經意識到了，GPS其本質就是利用ToA方法來定位的，在開闊地無遮擋的前提下也確實可以提供米級別的定位精度，那么為什么GPS、北斗等GNSS系統(tǒng)的ToA定位精度就可以達到如此高度呢？

基于ToA的GPS定位工作原理

圖二【huawei petal map-4.png】來自論文《Integrated Cooperative Location in VANETs for GPSDenied Environments》的插圖，URL https://www.researchgate.net/figure/Trilateration-based-GPS-position-with-no-errors-in-satellites-signals_fig2_282359540；

本質來說，部署在環(huán)地球軌道的GNSS系統(tǒng)例如GPS和咱們自己的北斗3號，首先是一個精確的全網時間同步系統(tǒng)，要求所有參與在GNSS系統(tǒng)內的網元，不管是系統(tǒng)側還是終端側，客觀上都需要盡力納入同一個時間節(jié)奏中去，這是個大前提，也是必須的。（小編：以GPS為例，由GPS系統(tǒng)通過衛(wèi)星信號發(fā)播的原子時間，GPS時間用自1980年1月6日零點（ UTC 時間）起的星期數(shù)和該星期內內的秒數(shù)來表示；工程上，GPS 接收機會根據閏秒數(shù)將GPS時間換算為我們通常使用的UTC時間。GPS時間的源頭是美國海軍天文臺的守時原子鐘組）GNSS=Global Navigation SatellitesSystem提供精準位置信息的前提是它可以為內部所有網元提供精確的時間信息，否則也就談不上定位功能了。所以GNSS的空中接口傳遞的信息內容（小編：也叫做導航電文），包含完整的星歷信息也包含每顆衛(wèi)星的時鐘狀態(tài)信息，可快速幫助所有接收并解析電文的終端，實現(xiàn)時間同步和在此基礎之上的偽距修正和定位。

我們看看實際GNSS的測量理論公式：

圖三【huawei petal map-26.png】來自學術文章《GPS移動定位與移動網絡定位精度的分析》的插圖，URLhttps://m.thepaper.cn/baijiahao_8116945；

圖3的P1-P4是GPS終端開機后所同時觀察到的來自四顆衛(wèi)星的偽距Pseudo Range；帶下角標的（x，y，z）是從導航電文解碼得到的衛(wèi)星當前時刻的位置坐標（最少四顆）；dT1、dT2、dT3、dT4也是從導航電文中獲取的已知這四顆衛(wèi)星時鐘偏差；c為光速；dt則為終端自身未知的接收機時間偏差。這樣就很容易理解了，四個未知數(shù)和四個方程，通過求解以上的偽距方程，就能得到終端接收機位置（x，y，z）及時鐘偏差（dt）。實際使用場景中，由于接收機往往可以鎖定4顆以上的衛(wèi)星（小編：就是從極微弱的空中信號中，解碼讀出多顆衛(wèi)星的導航電文），因此接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用于定位，從而進一步提高定位精度。

然這些都是純理論，實際的終端位置結算和時間同步算法要更復雜一些，GPS或者北斗、伽利略和格倫納斯系統(tǒng)模塊是專門優(yōu)化的芯片，可以在終端上實現(xiàn)快速的電文解碼、位置解算和時間同步。關于時間和位置兩個互為依賴關系的參數(shù)，到底誰先誰后得到近似的真值沒必要深究，因為圖3這種非線性方程組的解算都是采用迭代方法，最終在時間和位置上都收斂到指定的誤差范圍內后，計算結束。

GPS的定位中，還有其他一些影響偽距測量誤差的因素存在，比如地面的多徑效應、大氣電離層的時延等等，但這都不是核心問題。GPS作為GNSS的技術先驅，通過較小的空間投資和地面控制系統(tǒng)建設，就能實現(xiàn)全球范圍內，甚至包含近地空間內的物體的高精度定位和全方位的時間同步，而且享受定位服務的客戶端數(shù)量沒有限制，實在是令人贊嘆。小編目前查到的資料表明，GPS時間同步精度可以達到30ns納秒，優(yōu)化后可以更低。北斗屬于同一個級別，因為時間不同步所引起的偽距誤差可以控制在10米尺度。這就是GNSS采用ToA方法的技術背景。

GNSS有一套具備高度精度的地面控制系統(tǒng)和時鐘源，地理位可能不止一處，而是大跨度的多處位置部署。這樣可以全面地、無時不刻地監(jiān)控軌道衛(wèi)星的位置和時鐘狀態(tài)。美帝的GPS和歐洲的伽利略系統(tǒng)，此時就具備足夠的優(yōu)勢了，一個是盟國眾多，另一個是殖民地眾多分布廣泛，所以建立跨越全球地里的GPS地面監(jiān)控站并非難事，但對于中國來說就非常困難，南美洲的阿根廷和非洲南部的一些國家對我們的測控站分布就特別關鍵…..北斗3號的衛(wèi)星矩陣設計和GPS不一樣，帶入高軌（地球同步軌道）衛(wèi)星，就是受到了這個制約條件而做出的適應性調整。

啰嗦到現(xiàn)在，ToA和GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)之間的關系就基本理清楚了。在國家力量的支持下，GNSS系統(tǒng)本質上是在地球的近地空間范圍內部署了時間同步系統(tǒng)，由地面時鐘源和測控中心維護GNSS衛(wèi)星矩陣的時鐘同步。同時，地面測控也要精準測控衛(wèi)星矩陣中每一顆衛(wèi)星的軌道位置。在所有這些系統(tǒng)側的能力具備之后，GNSS星座會穿越大氣層向地球表面持續(xù)發(fā)送導航電文（小編：導航電文民用級別上是公開的，但根據不同的應用級別會有不同的加密方法，這就超出我們本篇要談論的范疇了）。任何一臺符合標準的GNSS終端，都可以在空氣中捕捉到極其微弱的導航電文信號，并從導航電文中解讀出一切計算自身位置和校準自身時鐘偏移所需要的計算要素。最后經計算獲取收斂的最終位置和時間。

圖四【huawei petal map-28.png】初始來源不詳，從與非網文章《5G的高精度定位》截圖獲取，URL https://www.eefocus.com/communication/463840；

GNSS實際上除了授時和定位之外，不承載任何其他業(yè)務了（小編：北斗系統(tǒng)在早期是提供一些短報文通訊服務的，但很有限，屬于特殊服務；現(xiàn)在的北斗3號是否保留了這個業(yè)務小編也不清楚）。正因為如此，GNSS系統(tǒng)的空中接口協(xié)議往往被設計得很簡潔、高效，重復廣播衛(wèi)星星歷就是電文的全部。這也是GNSS可以在全系統(tǒng)內實現(xiàn)時鐘同步，并在此基礎之上構建基于ToA定位能力的原因。參考上圖4，GNSS系統(tǒng)在urban城區(qū)室外環(huán)境，可以提供10m尺度的定位服務，依賴于地面建筑物高度和密度的限制，這個精度可能還會更差一些（小編：主要問題是位置漂移和抖動），但基本面上好于現(xiàn)有的移動通訊網絡所能提供的定位能力，且免費。在郊區(qū)，精度可以到米級。所以地廣人稀的北美公路條件下，車載GPS普通級別的設備就可以到米級，非常適合導航，甚至直接參與自動駕駛的一些控制任務。如果再利用差分基準站修正技術，GNSS甚至可以到分米、厘米級別，深入到許許多多的工業(yè)控制、現(xiàn)場監(jiān)測應用當中去。所以上圖4的GNSS定位能力是有彎度的，而且說到此刻我相信大家也都明白這個大勢了，地面復雜地貌下的高精度定位，還得仰仗貼近地表的地面無線系統(tǒng)來完成。

ToA在地面通訊網絡中不適用的原因

我們前面也提到過，相比于部署在地球軌道上的GNSS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，部署在地球地表的移動通訊系統(tǒng)（小編：也可以統(tǒng)一被稱作PLMN=Public Land Mobile Network地面公眾移動網絡），目前在空中接口上就沒有辦法提供納秒級別的同步能力（小編：注意這里是指在無線的空中接口上，也就是基站和終端之間，而不是基站和基站之間，這是有本質差別的）。原因不是做不到，而是不需要。

通訊業(yè)務為主的移動網絡PLMN里，空中接口的設計非常復雜，設計目標往往不止一個。又要滿足終端的多種通訊業(yè)務需求，還要保障終端的移動性和低能耗，還要兼顧一定的定位能力……這種復雜性和GPS系統(tǒng)導航電文的單一性，形成了鮮明的對比。發(fā)展到目前，我們討論過的ECID和RFPM的定位方法也算是勉強完成任務，所以為了進一步改進定位能力而在空中接口協(xié)議上做出改進，是需要在5G（小編：在R16版本之后針對定位業(yè)務確實有了傾向性設計）階段進行統(tǒng)籌考慮了。

在現(xiàn)有的技術條件下，移動通訊網絡內的終端和網絡基站之間，只有在開機尋網、注冊和發(fā)起具體業(yè)務的時候才需要通過一個主動的同步過程（小編：包括基礎的下行同步和終端主動觸發(fā)并由網絡側維護的上行同步），來建立“較為嚴格”的時間維度上的同步關系，需要注意這個“較為嚴格”的時間同步，參照GPS的時間同步不是一個數(shù)量級。而且在終端駐留在網絡內的大部分時間內，為了保證移動終端的電源開銷，基站和手機終端之間的信令開銷首要設計目標還是精簡而非面面俱到兼顧定位業(yè)務，因此只要定位業(yè)務在通訊網絡內不屬于基礎業(yè)務范疇，就不可能達到GNSS的定位效果……

即便是在終端和基站之間建立好時間同步關系的狀態(tài)下，其時間同步性能的服務目標也不是定位業(yè)務，或者說不是首要為了定位需求，而是為了降低小區(qū)內終端之間的干擾（小編：上行同步）、以及小區(qū)之間因為終端移動而發(fā)生切換時的業(yè)務質量保障（小編：基站之間的同步）。這些業(yè)務需求對于時間同步的需求并不高，大概在微秒us級別，這是由4G甚至5G的空中信道格式和結構所決定（小編：你沒有看錯，5G在通訊業(yè)務對于同步需求的這方面和4G沒有本質區(qū)別）；另外不能遺漏的是，在4G和5G階段，時間同步還新增需要滿足載波聚合Carrier Aggregation，或者CoMP多點協(xié)同收發(fā)的業(yè)務需求（小編：這些業(yè)務對于時間同步的需求具體還是要高一些，不是微秒us的級別，而是百納秒的級別，這個同步需求主要是指在基站之間的需求）。讀者不必理會這些通訊業(yè)才會關注的具體專有詞匯，只需要明白這些特殊的通訊業(yè)務對于時間同步也有一定需求，即可。

圖五【huawei petal map-27.png】來自sohucs.com，URLhttp://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/images/20180809/c29ee91a1a4443a0bb12c07f31c96a73.jpeg；

關于上圖5，讀者不需要認真研究，貼在這里只是為了讓大家直觀感受一下5G New Radio NR的空中接口在時間上的尺度標準。看右上角，當子載波寬度選擇30KHz時，1個subframe中的1個時隙timeslot的長度是0.5ms毫秒，其內部的14個OFDM符號尺度大約是33.3us微秒。讀者只需要了解到這里就可以了。這也就意味著，如果僅從通訊業(yè)務的需求出發(fā)來考慮NR對于時間同步的需求，那么基本就是毫秒最多微秒尺度，到OFDM符號體量這個尺度就足夠了（小編：準確說就是不超過CP循環(huán)前綴的時間長度即可保證通訊業(yè)務）。這就可以保證精確和完善的數(shù)據及話音、多媒體業(yè)務的傳遞順暢了。但是這個時間尺度用于ToA進行終端到基站的偽距測量和終端定位，則遠遠不夠。

業(yè)務需求決定系統(tǒng)性能

所以在遍歷討論了GNSS、移動通訊系統(tǒng)和室內無線系統(tǒng)的定位性能之后，我們不難得出一個初步的結論，“業(yè)務需求決定系統(tǒng)性能”應該是人類進入工業(yè)化之后的一個必要活動準則。這個準則在PLMN通訊系統(tǒng)的設計中體現(xiàn)得淋漓盡致。不考慮業(yè)務和性能的匹配性，而在性能和業(yè)務設計上過分超前的系統(tǒng)難逃逐一被現(xiàn)實挫敗的厄運。一如當年的ATM被Ethernet從桌面淘汰；WiMAX在北美干不過CDMA的EVDO，在亞歐大陸干不過WCDMA……單一的技術優(yōu)勢很多時候都無法轉化為勝勢，市場這個巨大的技術篩選器有其自主的生存法則。

對于移動通訊系統(tǒng)來說，首要目標是要在地表盡可能建立一張無縫覆蓋人類活動區(qū)域的話音和數(shù)據網絡（小編：所謂的基礎業(yè)務），滿足人類在靜止與移動場景下的不間斷業(yè)務獲取能力。3GPP的代際技術發(fā)展雖然從未停止，但這些基礎業(yè)務對于性能的更高要求也從未停止。在5G時代，雖然業(yè)務能力的增強導致最基礎的物理幀結構變得更加精密，但滿足這部分所必須的時間同步需求，還是停留在微秒級別，大致是+-1.5us，和前代4G LTE并沒有本質差別。

在網絡側，基站和基站之間的時間同步性是依賴鏈接基站的有線網絡，比如傳統(tǒng)的光傳輸網絡或者電信以太網來實現(xiàn)同步機制的（小編：以太網上由IEEE1588來實現(xiàn)時間同步、光傳輸網絡有其他底層方式來提供時間同步機制；這些內容也超越本篇文章的技術范疇，不做深究）甚至也可以依賴在每個基站站址上安裝的GPS、北斗GNSS同步系統(tǒng)來獲取納秒級別的同步定時，以在更好的程度上滿足進入4G和5G時代以來，載波聚合CA、協(xié)同多點收發(fā)CoMP和高速漫游等業(yè)務的需求。在這個網絡側的時間同步性能的進步（小編：注意不是網絡側和終端側之間空中接口上的同步性能提升）間接對基于移動網絡的定位性能演進是有幫助的。

這就是我們后續(xù)要談到的圖1中的綠色圈，TDoA技術所依賴的技術基礎——網絡側時間同步。ToA雖然不能搞，但TDoA還是有希望的…..

編輯：黃飛