5Gネットワ​​ークはどのように位置認識を改善しますか？

3GPPリリース16は、高精度の位置情報サービスをより安価で信頼性の高いものにすることを約束します。さまざまな非セルラーテクノロジーと組み合わせて新しい信号特性を活用することで、ハイブリッドポジショニングの形態が可能になる可能性があります。

3GPPリリース16は、高精度の位置情報サービスをより安価で信頼性の高いものにすることを約束します。さまざまな非セルラーテクノロジーと組み合わせて新しい信号特性を活用することで、ハイブリッドポジショニングの形態が可能になる可能性があります。

GPSを信頼しますか？盲目的にそれに従う準備ができていますか？そのように考えることはめったにありませんが、スマートフォンや車のグローバルナビゲーション衛星システム（GNSS）受信機からの位置の読み取り値は統計量です。これは、特定の確率（たとえば、50％）で、指定された位置から定義された距離（たとえば、1メートル）内にいることを示しています。最終的に、提供される情報にどのように関係するかは、デバイスが提供する出力にどれだけの信頼を置くかによって異なります。

グローバルナビゲーション衛星システム（GNSS）

GNSSは長い間、ユーザーデバイスの正確な位置推定のためのユニークな情報源でした。しかし、アプリケーションがより広範になり、多様性があり、セーフティクリティカルになるにつれて、読み取り値の信頼性を定量化する方法を理解し、GNSSが利用できないときにフォールバックする代替入力ソースを用意することが成功の最重要事項になっています。

もちろん、GNSSは位置情報の唯一の利用可能なソースではありません。セルラーモデムを搭載したデバイスは、セルラー信号を使用しておおよその位置を特定できます。 u-bloxなどの市場の主要企業は、位置情報サービスの範囲を拡大するために、セルラー通信モジュールでセルラー信号ベースのハイブリッド測位ソリューションを長い間提供してきました。後者はGNSSとセルラー信号を組み合わせたものです。

現在、5Gテクノロジー構造の見過ごされがちなコンポーネントである5Gポジショニングは、業界主導の3GPP（Third-Generation Partnership Project）によって開発および標準化されています。この組織は、電気通信規格の開発に専念する7つの組織と数百の企業メンバーを結集し、さまざまな業界のニーズを念頭に置いて、次世代セルラー通信技術のコンポーネントとして5Gポジショニングの開発を推進しています。

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簡単な振り返り

ポジショニングは、当初からセルラー通信を可能にする上で重要な役割を果たしてきました。当初、これは単なる副産物でした。着信通話を受信者のエンドデバイスにルーティングするために、モバイルネットワーク事業者は、特定のセルラー基地局のエンドユーザーがいつでも接続されているかを知る必要がありました。

これは1999年に変更され、米国の規制当局が緊急サービスを可能にするための高精度の位置推定の要件を設定しました。これにより、セルラーテクノロジーに基づく第1世代の専用位置情報サービスが実現しました。 ¹ EUは2002年に米国の例に従いました。 ² それ以来、位置情報サービスの範囲は、主に業界の需要に牽引され、3GPPによって標準化された、セルラーテクノロジーの世代を重ねるごとに拡大してきました。

その結果、今日の4G LTEネットワークは、モバイルネットワーク事業者にさまざまな精度で各ユーザーの位置を特定するための幅広いアプローチを提供します。これらのアプローチは、固定ネットワークインフラストラクチャとモバイルネットワークインフラストラクチャのさまざまな組み合わせ、および測位衛星などの外部ソースを利用します。

次の表に、主な4GLTEロケーションサービスの概要を示します。 ³

表1.主な4GLTEロケーションサービス

新しいユースケースと要求

位置情報サービスの主な推進力は規制当局からの要求でしたが、今日、ハードウェアおよび機器メーカー、宇宙機関、モバイルネットワーク事業者を含むいくつかの公的および民間企業は、セルラー位置情報サービスによるより高い精度と精度の提供を推進しています新世代の商業的に動機付けられたロケーションベースのサービスを可能にするため。

これらのアプリケーションは、ネットワークと外部アプリケーションがオブジェクトの所在を追跡するために位置を取得するUEアシストと、UEがナビゲーションとガイダンスの目的で独自の位置を計算するUEベースに大きく分類されます。 。 ⁴

同時に、モノのインターネット（IoT）が経済や社会生活のあらゆる側面に浸透することで、測位技術のカバレッジと信頼性に対する期待が高まっています。今日、私たちはほぼすべての場所で高速インターネットにアクセスできると期待していますが、高精度の測位についても同じことが当てはまる可能性があります。

その結果、3GPPおよびその他の標準化団体は、今後のリリースでセルラーポジショニングのアプリケーションスペースとパフォーマンス要件を新たに検討しています。改善された高精度測位サービスの恩恵を受けることができるユースケースは、産業、資産追跡、自動車、交通管理、スマートシティ、共有自転車、病院、UAV、公共サービス、拡張現実（AR）、消費者、プロのウェアラブル。

全体として、5Gテクノロジーは、それぞれの特定のユースケースのニーズに応じて、絶対測位と相対測位の両方を提供するさまざまなセルラーベースのハイブリッド測位サービスを提供することを目的としています。重要な位置情報は、読みに置くことができる自信の尺度で提供されるべきです。まだ完全に定義および合意されていない主要な要件は、水平および垂直精度、相対精度（近くのデバイス間）、最初の修正までの時間、速度精度、消費電力、遅延、および運用とセキュリティ関連のプロパティです。 。 ⁵

以下では、特に垂直産業における3つのユースケース、（i）UAVのミッションと運用、（ii）IIoT追跡アプリケーション、（iii）自動運転車のナビゲーションによって課せられる要求を見ていきます。最初の2つのユースケースで引用されている値は、3GPP TR22.872テクニカルレポートから引用されています。 ⁶ 幅広い特定のアプリケーションを含む自動車のユースケース向けのものは、追加の参考資料から引用されています。 ^7,8

図1。 選択した3つの業種における新たな5Gポジショニングのユースケースの要件。

新世代のGNSS受信機がどのように位置を変えているか

過去数年間、衛星ベースの測位は急速な発展を遂げてきました。衛星ナビゲーションの初期の頃、GNSS受信機は、軌道を回る衛星の単一のコンステレーション（米国のGPSまたはロシアのGLONASSシステム）に依存して、それらの位置を決定する必要がありました。現在、ヨーロッパのガリレオと中国の北斗システム、および元の2つに追加されたいくつかの地域補強システムを備えたより多くの運用システムがあります。今日、u-blox F9世代の受信機など、すべての軌道を回るGNSSコンステレーションから信号を同時に受信できるマルチコンステレーションGNSS受信機が標準になりつつあります。その結果、受信機は、都市の（または実際の）峡谷など、空の大部分が遮られている場合でも、より多くの衛星を「見る」ことができ、精度が向上し、位置の修正にかかる時間が短縮されます。

当初、GNSS受信機は、単一の周波数帯域で送信された衛星信号を使用して、その位置を推定していました。位置誤差の主な原因の1つは、衛星信号が帯電した電離層を通過するときに速度が低下するときに発生します。この遅延は周波数の2乗の逆数に比例するため、追加の周波数帯域からの信号を使用すると、電離層誤差を特定して修正するのに役立ちます。最新世代のデュアルバンドGNSS受信機は、標準のコードベースの測位を使用して、平均位置誤差を約2.5mからオープンスカイ条件で1m未満に下げました。

GNSS測位の品質は、商用のGNSS補正サービスから長い間恩恵を受けてきました。 GNSS補正サービスプロバイダーは通常、正確に既知の位置を持つ基地局のネットワークを使用して着信GNSS信号を監視し、調整された補正情報を有料でエンドユーザーに送信します。コードベースのポジショニングの場合、これらは差分補正と呼ばれます。

高精度のキャリア位相追跡RTK（Real Time Kinematic）方式を使用する場合、近くの基準受信機から取得した補正により、センチメートルレベルのポジショニングを実現できます。現在、新世代のGNSS補正サービスが作成されており、代替アプローチを採用して、地理的領域全体のGNSSコードと搬送波位相補正データをブロードキャストします。インターネットまたは衛星を介した国または大陸全体。

マルチコンステレーションおよびマルチバンド受信機と新しいGNSS補正スキームを組み合わせて、センチメートルレベルの精度を実現し、所有コストを大幅に削減することで、センチメートルレベルの高精度ポジショニングのための新しいタイプのマスマーケットアプリケーションへの道を開きます。 。

とはいえ、GNSSには引き続き2つの欠点があります。位置を決定するには、受信機が軌道を回る衛星の視線内にあることが理想的である必要があります。屋内やトンネル内では、サービスが低下したり、利用できなくなったりします。そして、最良の場合、コールドスタートから初めてGNSS受信機がその位置を明確に決定するのに数秒かかります。慣性センサーを搭載した、主に自動車用途に合わせた推測航法ソリューションは、GNSS信号の到達範囲を超えて高精度ポジショニングの範囲を大幅に拡大します。アシストGNSS（A-GNSS）は、GNSS信号自体を介するよりも、GNSS軌道およびクロックデータを取得するためのより高速な方法を提供することにより、最初の修正までの時間を短縮します。

5Gがセルラーベースのポジショニングに新たな改善をもたらす方法

リリース15の3GPPによって定義された次世代のセルラーテクノロジーである5GNew Radioは、すでに作成中です。 ⁹ 一部の地域のエンドユーザーは、2019年上半期に4G LTE上に構築された非スタンドアロンアーキテクチャに最初にアクセスできるようになります。SamsungとVerizon、LGとSprint、Huaweiは2019年初頭に5Gスマートフォンをリリースし、Appleはそれに続くと予想されています2020. ¹⁰ これに続いて、スタンドアロン5Gの展開が行われます。

いくつかのモバイルネットワーク事業者は、都市部を皮切りに、すでに5Gネットワ​​ークの展開を公に発表しています。米国が先頭に立っています。 AT＆Tは2018年に展開を開始し、2019年まで継続し、年の半ばに全国的なカバレッジを提供することを目標としています。 ¹¹ レースに参加する2番目の国である韓国では、通信事業者が共同で2019年3月に5Gを展開する計画を発表しました。 ¹² 英国では、Vodafoneが2020年にテクノロジーの展開を開始する計画を発表しました。ただし、高精度のポジショニングサービスは、2019年末頃のリリース16まで、3GPP 5G NR仕様の一部にはならず、2020年に展開が開始されます。

5Gの背後にある原動力は多様です。新しいアプリケーションは、セルラーネットワークパフォーマンスの信頼性、可用性、カバレッジ、および遅延の観点から、テーブルに高まる要求をもたらしています。モバイルネットワーク事業者は、業界の垂直統合から新しい収益源を構築するために5Gを検討しています。チップセットベンダーは、5Gで、知的財産権のライセンスを取得することで収益を増やす機会があると考えています。そして、ユーザーは彼らが求めていたより高いデータレートを得るでしょう。

5Gセルラー通信テクノロジーは、eMBB、uRLLC、mMTCの3つの主要な使用シナリオを通じて、これらの多様な要件に対応します。これについては、以下で簡単に説明します。

• eMBB（拡張モバイルブロードバンド）は、セルラー通信専用のスペクトルをはるかに高い周波数に拡張し、より高速でデータを転送します。
• URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications）は、自動運転車やVehicle-to-Everything（V2X）アプリケーションなどの新しい機会を促進します。
• mMTC（massive Machine Type Communications）は、低電力ワイドエリア（LPWA）通信におけるIoTアプリケーションの開発を進化させ続けます。

これらのシナリオでポジショニングを有効にするには、利用可能な技術の範囲を拡大するために活用できる新しい信号と新しいインフラストラクチャが必要です。 ¹³ より高い周波数でのより広い帯域幅、より多くのアンテナが複雑なアンテナアレイに結合され、より高密度の通信ネットワークが含まれます。目標は野心的です。15ミリ秒未満の低遅延でサブメートルの位置精度が実現されます。

5Gはより広い帯域幅と周波数を提供します

3GPPは現在、一連の4GLTEポジショニング方式を5Gに導入することに重点を置いています。通常、これらはアップリンクおよびダウンリンク信号を使用して個々のエンドデバイスの位置を決定し、アンカーポイントとして機能するモバイルネットワークアンテナに対する相対的な位置を決定します。例としては、拡張されたCell-IDおよびTDOAベースのアプローチがあります。

拡張されたCell-IDでは、エンドデバイスは複数の基地局への近接を監視し、信号強度とデバイスへのおおよその伝搬時間を測定します。これらの観察結果を組み合わせることにより、最も近いセルの中心だけを測定するよりも、デバイスの位置をより正確に推定できます。

TDOAベースのアプローチでは、エンドデバイスは複数の基地局からの信号の到着時間を正確に測定します。観測された受信時間間の時間差に基づくマルチラテレーションを使用すると、デバイスは、拡張されたCell-IDを使用するよりも正確に観測された基地局に対する位置を決定できます。

もう1つのクラスは、まだ十分に活用されていないサイドリンクです。これは、デバイス間の通信を含む4G LTEテクノロジーであり、デバイスが相互の相対的な位置を特定できるようにする可能性があります。明らかな使用例は、車両間（V2V）通信です。

5Gの新しいスペクトル割り当ては、特にセルラーベースのポジショニングにとって朗報です。これは、より高い周波数（6GHz未満に加えて24GHzを超えるミリ波）に配置されたより広い帯域幅が利用できるためです。帯域幅が広いということは、信号時間がより正確に解決できることを意味します（時間と帯域幅の間には反比例の関係があります）。したがって、帯域幅が大きいほど、マルチパス効果を解決する能力が向上します。パスは異なる時間に到着します。

5Gの新しい周波数への移行は、セルラー基地局の地理的展開と使用されるアンテナテクノロジーにも影響を及ぼし、セルラーベースの測位にもメリットをもたらします。伝搬損失が大きくなるため、波長が短いほど距離が長くなります。つまり、MNOは、カバレッジを維持するために、より多くの基地局を配備する必要があります。さらに、ビームフォーミング機能を備えたアンテナアレイの導入は、信号をエンドユーザーに向けるのに役立ちます。方向認識アンテナの密度が高いと、遅延、到達角度（AoA）、および出発角度（AoD）が測定され、測位性能が向上するため、マルチパスコンポーネントの解像度が向上します。さらに、単一の基地局を使用してデバイスをローカライズできるようになる可能性があります。

ユビキタス高精度ポジショニングにはハイブリッドアプローチが必要です

単一のアプローチでは、すべての環境条件でターゲットのユースケースに必要な精度を確実に提供することはできません。これまで見てきたように、今日のGNSSベースのソリューションは高精度の位置を確実に提供できますが、屋内アプリケーションには制限があります。一方、5Gベースのポジショニングソリューションは、屋内と屋外の両方のシナリオで正確な位置推定を補完および提供できます。

複数のセルラーアプローチをGNSS、地上ビーコンシステム（TBS）、Wi-FiとBluetoothに基づく測定、慣性測定（IMU）などの非セルラーアプローチと最適に組み合わせるハイブリッドソリューションは、これらの目標を達成するために最も有望です。追加の冗長性により、フォールトトレランスが向上し、ソリューション全体の整合性が向上し、各位置の見積もりに沿った信頼性の定量的測定が可能になります。

3GPP調査範囲には、新しいアプリケーションを可能にするハイブリッド測位ソリューションの可能性が認識されており、GNSSおよび衛星信号のほか、Wi-FiやBluetoothなどの地上信号などが含まれます。 3GPP調査項目から得られたソリューションは、リリース16 – 2020年第1四半期の無線仕様の導入を目標としています。

3GPPに設定された課題

3GPPは野心的な目標を設定しており、リリース16は2020年上半期に予定されています。5Gの多様な信号ランドスケープの上にセルラーベースのポジショニングソリューションを実装することは複雑な取り組みであり、インフラストラクチャのタイムリーな展開を促進して、十分に広いカバレッジを引き付けることができます。十分な数のユーザーベース。

これまで見てきたように、ハイブリッドポジショニングのアプローチは、新しいアプリケーションの厳しいニーズを満たすために非常に重要です。特に、いつでもどこでも高精度のポジショニングが求められるようになるためです。これには、必然的に、GNSS、セルラー、短距離、衛星通信など、さまざまなテクノロジーの代表者が協力して、構成要素の合計よりも優れた結果を生み出す必要があります。

GNSS、短距離無線、およびセルラーテクノロジーのリーディングプロバイダーとしての業界におけるu-bloxのユニークな位置は、5Gポジショニングアプローチ、特にテクノロジーを組み合わせたアプローチの出現を特にエキサイティングなものにします。ハイブリッドポジショニングは、コアコンピテンシーの収束に基づいて構築されており、イノベーション、新しいレベルのパフォーマンス、新しいユースケースの大きな可能性を見出しています。私たちは、これらのさまざまな世界の融合を促進して、より優れたより包括的なソリューションを提供することに貢献しているため、結果を楽しみにしています。

この記事は、u-bloxの製品センターポジショニングのシニアプリンシパルエンジニアであるDavidBartlettによって共同執筆されました。

参考資料

• 1）FCC911およびE911サービス
• 2）EU法の概要：手頃な価格の電気通信サービス-ユーザーの権利
• 3）「セルラーネットワークにおけるポジショニング技術の進化、2Gから4G」に基づく、Rafael Saraiva Campos、ヒンダウィ、2017年
• 4）UEはUserEquipmentの略です
• 5、6）3GPP TR 22.872 V16.1.0（2018-09）、テクニカルレポート、第3世代パートナーシッププロジェクト。技術仕様グループのサービスとシステムの側面。ポジショニングのユースケースに関する研究。ステージ1（リリース16）
• 7）Cooperative-ITS（HIGHTS）、プロジェクト成果物D2.1の高精度ポジショニング：ユースケースとアプリケーション要件（2015年5月1日）
• 8）道路利用者のニーズと要件に関するレポート、欧州GNSSのユーザー相談プラットフォームの結果、欧州全地球航法衛星システム庁（GSA）（2018年10月18日）
• 9）5Gフェーズ1のシステムアーキテクチャマイルストーンが達成されました、3GPP、（2017年12月21日）
• 10）上位5G電話：すべての5G電話が発表され、2019年も引き続き登場
• 11）AT＆Tが99の新しい5Gエボリューションマーケットに名前を付ける
• 12）キャリアヘッドは「韓国5Gデー」にコミットします
• 13）5Gワイヤレスシステムとモノのインターネットの新しいローカリゼーション手法に関するホワイトペーパー、COSTアクションCA15104、IRACON; Pedersen、Troels;フルーリー、ベルナールアンリ

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