5Gリリース16がもたらす位置精度の革命

3GPPリリース16は、新しい信号特性の活用と多様な非セルラー技術の統合により、より安価で信頼性の高い高精度位置情報サービスを実現し、ハイブリッドポジショニングへの扉を開きます。

スマートフォンでGPS座標をタップすると、統計的推定値が表示されます。その値は確率を表し、多くの場合50%の確率で、報告された位置から特定の半径（例：1メートル）内にデバイスが存在します。この数値をどれだけ信頼できるかは、基盤データがどう生成・検証されたかによります。

全球測位衛星システム（GNSS）

GNSSは長らく精密測位のゴールドスタンダードでしたが、安全性が重要な高精度アプリケーションへの需要の高まりにより、堅牢な信頼度指標と、衛星信号が途絶えた際のフォールバックオプションが求められています。

セルラーモデムは、セルラー信号の三角測量による粗い測位をすでに提供しています。u-bloxなどの大手メーカーは、GNSSとセルラーデータを組み合わせたハイブリッドモジュールを提供し、カバレッジと信頼性を拡張してきました。

5Gポジショニングは、5Gエコシステムのしばしば見過ごされがちな側面ですが、業界主導の3GPPによって標準化が進められています。この組織は7つの技術機関と数百の企業メンバーを統合し、5Gポジショニングを多様な垂直市場のニーズに向けて導いています。

振り返り

ポジショニングは、当初からセルラーネットワークに不可欠でした。本来は、着信を正しい基地局にルーティングするために使われていました。1999年の緊急サービスに関する規制要請と、2002年のEU指令が、セルラー位置情報サービスの進化を加速させ、3GPPが継続的に洗練させてきました。

現在の4G LTEインフラは、セルID、拡張セルID、TDOAなど、精度とカバレッジが異なる一連のロケーション手法を提供しています。付属の表（図1を参照）がこれらの技術をまとめています。

表1. 主要な4G LTEロケーションサービス

新たなユースケースと要求

規制要請を超えて、ハードウェアメーカー、宇宙機関、オペレーターの増大するコホートが、次世代サービスを可能にするサブメートル精度を要求しています。用途は自律走行車、UAV、スマートシティ、ウェアラブル、ARに及びます。

5Gは、絶対測位と相対測位の融合を、定量化された信頼度とともに約束します。主要なKPI（水平/垂直精度、相対精度、初回測位時間、速度精度、消費電力、レイテンシ、セキュリティ）は、リリース16でまだ洗練中です。

図1は、3GPP TR 22.872および関連研究に基づき、UAVミッション、IIoT追跡、自律走行車ナビゲーションの3つの垂直市場における厳格な精度目標を示しています。

図1. 3つの選択された垂直市場における新興5Gポジショニングユースケースの要件。

新世代GNSS受信機がポジショニングをどう変えるか

最新のGNSS受信機は、GPS、GLONASS、Galileo、BeiDouといった複数の星座、そして多くの場合、地域拡張システムを利用します。マルチコンステレーション、マルチバンドデバイス（例：u-blox F9）は、都市峡谷でもより多くの衛星を捕捉でき、精度とTTFF（初回測位時間）の両方を改善します。

デュアルバンド受信機は、周波数ダイバーシティを利用して電離層遅延を軽減し、開けた空での平均誤差を約2.5mから1m未満に削減します。差分補正やRTKなどの商用補正サービスは、さらに精度をセンチメートルレベルへ押し上げます。

新たな放送ベースの補正スキームは、インターネットや衛星経由で地域全体に高精度データを配信することを目指し、コストを抑えながら精度を維持します。

GNSSは依然として屋内やトンネルで苦戦し、数秒のコールドスタート遅延に悩まされます。支援GNSS（A-GNSS）と慣性航法システム（INS）が、特に自動車用途でこれらの隙間を埋めます。

5Gがセルラーベースのポジショニングにもたらす新たな改善

3GPPリリース15で定義された5G New Radioは、非スタンドアローンとスタンドアローンの両構成で世界中に展開されつつあります。最初の商用5G展開は2019年に始まりましたが、高精度ポジショニング標準はリリース16で導入され、2019年末に予定され、2020年に展開されます。

オペレーターは、eMBB（拡張モバイルブロードバンド）、uRLLC（超信頼低遅延通信）、mMTC（大規模機械型通信）の3つのコアシナリオで5Gを収益ドライバーと見ています。各シナリオは、より厳しい精度、より低いレイテンシ、より高い信頼性を要求します。

• eMBB：より高い周波数と広い帯域幅で高速データを実現
• uRLLC：自律走行車とV2Xアプリケーションに不可欠
• mMTC：成長するIoTエコシステムをサポート

セルラーポジショニングは、アップリンクとダウンリンク信号、拡張セルID、TDOA、そして潜在的にサイドリンクのデバイス間技術を活用します。5Gのより広い帯域幅、特に24GHz以上のミリ波帯域は、時間分解能を高め、マルチパス干渉を軽減します。

より高い周波数の展開は、より密な基地局ネットワークとビームフォーミングを備えた高度なアンテナアレイをもたらし、遅延、到着角、出発角の測定を改善します。場合によっては、単一の基地局で正確なローカライゼーションが可能になります。

ユビキタスな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

単一の技術で、すべての環境における厳格な精度要件を保証することはできません。GNSSは屋外で優れますが屋内では機能しません。5Gは屋内外の両方で輝きます。GNSS、セルラー、Wi-Fi、Bluetooth、地上ビーコン、慣性データを融合したハイブリッドソリューションが、高信頼ポジショニングに必要な冗長性と完全性を提供します。

3GPPの研究範囲は、GNSS、地上信号、短距離無線を明示的に含み、2020年第1四半期までのリリース16仕様を目指しています。

3GPPが直面する課題

5Gの多様な信号環境の中でセルラーベースのポジショニングを提供するには、複雑な統合と迅速なインフラ展開が必要です。業界は、GNSS、セルラー、衛星、短距離の各分野で協力し、部分の総和を超えるソリューションを生み出さなければなりません。

u-bloxのGNSS、短距離無線、セルラー技術における専門知識は、5Gハイブリッドポジショニングを独自に加速させ、イノベーションを促進し、新しいアプリケーションを解き放つ立場にあります。

本記事は、u-bloxのProduct Center Positioning担当シニアプリンシパルエンジニア、David Bartlettとの共著です。

参考文献

• 1) FCC 911およびE911サービス
• 2) EU法令の概要：手頃な通信サービス - ユーザーの権利
• 3) "Evolution of Positioning Techniques in Cellular Networks, from 2G to 4G," Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UEはUser Equipmentの略
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Technical report, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on positioning use cases; Stage 1, (Release 16)
• 7) High precision positioning for Cooperative-ITS (HIGHTS), Project deliverable D2.1: Use cases and Application Requirements (May 1, 2015)
• 8) Report on Road User Needs and Requirements, Outcome of the European GNSS' USER Consultation Platform, European Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA) (October 18, 2018)
• 9) System architecture milestone of 5G Phase 1 is achieved, 3GPP, (December 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; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

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