5G低功耗高精度定位芯片研究

5G低功耗高精度定位芯片研究2022-01-C-002本研究报告主要是5G低功耗高精度定位芯片的研究。空间定位在物联网时代是一种基础能力，基于精准的定位数据才能实现各种物联网应用，而5G通信技术为高精度定位的实现提供了契机。5G通信以高速率、低时延、大量连接等已知技术的定位方法在5G将会具有更高的精度。现有的各种卫星定位和通讯定位技术，都存在一定的短板和盲区，而相比之下5G定位技术最大的优势就在于具备室内室外一张网以及通讯定位一张网的能力。面向丰富的5G定位应用场景需求，包括石油化工、工业制造、物流仓储、公检法、地下作业、建筑施工等，5G低功耗高精度定位芯片和目前仍没有相关的国家或行业标准，以及相应的研究报告。5G定位在各行业应用场景对于高精度低功耗芯片和有着功能和性研究单位：北京智联安科技有限公司研究人员：5G定位产业工作子组成员2022-01-C-002 I 1 1 1 6 7 8 5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002 2022-01-C-0025G低功耗高精度定位芯片研究星定位和通讯定位技术，都存在一定的短板和盲区，而相比之下5G定位定位应用场景需求，包括石油化工、工业制造、物流仓储、公检法、地下作业、布5GR17标准冻结，其中包括对于定位功能的进一步增强，定位精度目标从室内3米、室外10米提升到到了亚米级，定位的时延研究报告。5G定位在各行业应用场景对于高精度低功耗芯片和有着功能和性能的标准组织对于此也制订出规范加以定义，因而终端所使用的5G定位芯片对于15G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002全及巡检管理，对定位精度要求较高，定位终端要求便携式。园区定位场景中，总体对定位精度要求不高，3~5米定位精度可以满足需求，同时主要面向个人提2022-01-C-002室内定位技术在博物展览等大型活动场所主要用于安防智能化和提升参观充电电池的可固定的小盒子方式。考虑定位卡管理的便利性，按定位频率1Hz，每次充电后定位卡的工作时长应不低于6个月。终端模组价格期望在十几元~几各种行业应用场景中，主要分为对人的定位和对物的定位。在比如智能制造、仓储物理、电力能源、公检法司等场景，主要是面向物的定位，提供AGV导航、资产追踪管理、电子围栏等服务，定位终端通常考虑为专用标35G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002行业领域应用场景定位精度成本接受度终端形态功耗要求定位模式智慧商超商品推送米级低手机无附加要求主动模式定位导航米级手机无附加要求主动模式反向寻车米级手机无附加要求主动模式客流分析3~5米手机无附加要求被动模式智能制造人员管理3~5米高手机无附加要求被动模式物料管理<1米定制低被动模式工具管理<1米定制低被动模式仓储物流人员考勤中定制无附加要求被动模式物品管理<1米定制低被动模式车辆调度定制无附加要求被动模式<1米定制无附加要求被动模式电力能源人员考勤定制无附加要求被动模式电子围栏<1米定制无附加要求被动模式工具监控<1米定制低被动模式车辆管理定制低被动模式交通枢纽站内导航低手机无附加要求主动模式出行指引3~5米手机无附加要求主动模式热力分析3~5米手机无附加要求主动模式医疗养老医护人员3~5米中定制无附加要求被动模式医疗设备定制低被动模式病人定位定制低被动模式新生儿定制低被动模式公检法司人员定位中定制低被动模式车辆管理定制无附加要求被动模式博物展览安保管理3~5米中定制低被动模式展品定位<1米定制低被动模式展馆导览3~5米手机无附加要求主动模式2022-01-C-002道、地下管廊考勤管理中定制无附加要求被动模式电子围栏<1米定制无附加要求被动模式紧急求助定制低被动模式对于要求严苛的商业用例，5G定位能力至少需满足1）对于80％的终端，水表1-2：指标与规格参数多数终端需要电池供电或可充电，续航时间不少55G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002定位应用产业发展出并现存有不同的定位技术以及相对应的终端芯片，应用公开服务定位精度为15－20米和5－10米两种档次，公开特许服务有局域增强2022-01-C-002Ublox斗50UMW2395001测距的定位方法利用无线信号在空间传输过程中的能量衰减特性计算出到多个已知位置的AP节点距离，进而通过相应的定位方法推算目标节点的位置信息。定位解决方案的引入，通过RTT往返时间来进行测距并进行定位的技术路线正在得到重视。目前提出的基于FTM的测距方案测距75G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002差异化，Wi-Fi芯片定制化趋势会越来越明显，对于芯片在定位能力的要求越来（2）容量大，相较于其他的无线定位技术，有更大的容量3）时延低，功耗AOA（到达角度或称为DOA估计）定位技术和这三种2019年三星与NXP和HIDGlobal等联手启动了FiRa联盟以促进UWB技术在访问控制、位置服务、设备到设备服务等方面的应用。如今，UWB行业标2022-01-C-002市场的芯片与toC市场的芯片，因为市场的差异性，对于芯片的要求也有较大差异。ToB市场的芯片要求是稳定性能好，精度高，传输距离远，相较对于芯片的尺寸、价格等方面敏感度会低一些。而toC市场的U多的非固定延迟，这是因为UWB芯片是利用电磁波的飞行时间来做测距，时间戳要解算得非常准确。这些都给芯片设计厂商的技术。从5G定位原理的角度来看，定位技术大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技精准定位，为此3GPPR16协议版本于2020年中冻宽频谱和多波束的特性，进一步定义和支持了基于蜂窝小区的信号往返时间95G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002内精准定位，为此3GPPR16协议版本于2020年中冻结并将定位能力引入到5G宽频谱和多波束的特性，进一步定义和支持了基于蜂窝小区的信号往返时间5G采用高频或者毫米波通信，高频波具有严重的穿透损失性质，所以不会有多路径衰减的干扰；高频电磁波几乎只能以直线路径（LineofSight,LOS）的5G支持多输入多输出（Multi-inputMulti-output,MIMO）技术提供更多的空间自由度（Highdegreeofresolvabil2022-01-C-002由于5G覆盖范围小且容易遭到建筑物遮蔽，如果要达到都市内普及，运营商须大规模部署小型5G基站。高密度基站代表有许多可供参考的资源节点，可高定位精度。R17通过定义按需发送的定位导频信号，降低定位测量的请求回应时间、终端测量时间及测量Gap激活时间等降低时延。通过支持RRC非激活状端功耗及成本等方面还有待进一步优化提升，5G定位垂直行业应用解决方案也有待进一步完善和丰富。5G定位芯片作为产业链上游的重要环节，需要厂商通过联合上下游合作伙伴，在精度、功耗、成本等方面实现突破，推出5G定位产表1-4：主流定位技术指标外级级级级级级- 5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002----级级--包括5G定位芯片在内，无论是哪类定位芯片，从芯片的共性角度来看，高定位精度、低成本、低功耗，是未来定位芯片发展的方向。5G定位芯片也应该着重3GPPRel-16定义了多种基于无线接入网的定位技术，包括下行到达时间差定位（DL-TDOA）、下行离开角度定位（DL-AoD）、上行到达时间差定位DL-TDOA定位方法，终端测量两个站点下行参考信号到终端的时间差并上报给网络。定位服务器根据多个参考信号时间差RSTD（ReferenceSignalTime由3个TRP得到2个DLPRSRSTD测量值，构成2条双曲线，UE位置可由解2022-01-C-002DL-AoD定位方法，终端测量上报下行参考信号到达终端的接收功率，网络根据发送波束方向来估计终端的位置角度。5G采用的大规模天线技术，具有更UL-TDOA定位方法是基于上行定位参考信号的定位技术，由基站测量终端终端到达时间差，然后把测量值上报给定位服务器，利用双曲线算法计算出UE在NRUL-TDOA定位方法中，服务基站首位参考信号（SRS-Pos）的时间和频率资源，并将SRS-Pos的配置信息通知给定UL-AoA定位方法，多个基站测量终端发射的参考信号到达基站的方向，通计位置。5G采用的大规模天线技术具有更高的自由度，可以实现更高精度的测距和测角特性。估计ULAoA的算法有多种，简单的方法是直接用接收波束的方5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002向来作为ULAoA。这种简单方法的角度估计分辨率较低。分辨率较高的方法是E-CID定位技术，利用手机所处蜂窝小在5G网络下，结合大规模多天线技术增强，根据测量终端发送信号及方向，联合终端所在小区ID信息，计算目标的位置测量值（参考信号接收功率或参考信号接收质量结合假设的信道路径损耗模2022-01-C-002与TRP的距离以及TRP参考信号发送方向计算出UE的位置。由于假设的信道路径损耗模型与真实信道路径损耗的差异，以及RRM测量值的测量误差，所推导的UE和TRP之间的距离与UE和TRP之间的真实距离误差一般较大，因而过终端-基站分工，利用大带宽上行SRS信号带来的定位信号增益，预期能够实联网toB的应用场景。他们的共同特点是对于续航时间、成本、终端尺寸相对敏5G低功耗高精度宽带室内定位技术是一种无线载波通信技术，即不采用正很宽，原理上与业界主流技术UWB超宽带接近。时域信号较窄，使得时间分辨2022-01-C-0025G应用产业方阵研究报告图1-1：不同信号带宽下时域上信号强度分离定位信号的首径，提升定位精度使之达到行业应用场景的要求，5G定位芯信号的带宽设计达到BWP最大的100MHz，可与超宽带的带宽达到同等量级，2022-01-C-002图1-2：UL-TDOA定位流程图5.在半持续或非周期性SRS的情况下，LMF可以通过向目标设备服务的gNB发送NRPPaPositioningActivati6.LMF通过NRPPaMEASUREMENTREQUEST消息来提供的UL-SRS配置去选择gNB。该消息包括允许gNBs/TRPs执行UL测量所需的5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-0028.每个gNB在NRPPaMeasurementResponse位需要经历接入系统、建立连接、保持RRC连接态、等待系统调度、获得SRS状态下，关断非关键器件，可在R17基准为了满足各个定位应用场景的需求，相应地5G定位芯片应符合一定的功能定位精度1米CEP90%@LOS@100MHz表1-5：频段支持表2022-01-C-002N41N77/78N79表1-6：功率参数表N41N77/78N79表1-7：电源设计要求表表1-8：电压参数表VVV表1-9：电流参数表52022-01-C-0025G应用产业方阵研究报告表1-10：温度参数表℃℃℃2芯片测试及验证方法图2-1实验室测试网络架构2022-01-C-002【4】杂散：杂散指标满足ETS302502【2】IMSI：460040526810001~460040526注册、寻呼、建立参考测量信道等信令流程；作为矢量信号发生器可提供5用于芯片的综合测试，包括接入、机卡、数传性能、射频一致性、协议一致2022-01-C-0025G应用产业方阵研究报告表2-1：开机PLMN自动选择测试项表2-2：随机接入测试项表2-3：注册测试项（1）终端开机，验证终端启动注册流程，向gNodeB发送REGISTRATION2022-01-C-002表2-4：去注册测试项IE指示去注册的类型，为“Normalde-registration”或“Switc表2-5：鉴权测试项（2）终端已注册，并处于5GMM-REGISTEREDstate/5GMM-CONNECTED表2-6：安全模式控制测试项（2）终端已注册，并处于5GMM-REGISTEREDstate/5GMM-CONNECTEDmode（即已建立NAS信令连接（1）AMF发起NAS层安全模式控制过程，向终端发送SECURITYMODE5G应用产业方阵研究报告2022-01-C-002表2-7：完整性保护测试项（2）终端向网络发送SecurityMo表2-8：加密/解密测试项（2）终端向网络发送SecurityModeComplete消息之后，AS层启动对SRB和表2-9：身份识别测试项2022-01-C-002（2）终端已注册，并处于5GMM-R