《5G通信系统定位技术原理与方法》孙韶辉 编着；任斌 编着；达人 编着；范绍帅 等编着

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《5G通信系统定位技术原理与方法》孙韶辉 编着；任斌 编着；达人 编着；范绍帅 等编着【文字版_PDF电子书_】

内容简介：

本书介绍了5G通信系统定位技术的原理与方法。全书共分为9章，第1章介绍蜂窝网络定位技术发展概述，第2章介绍蜂窝网络定位技术基础，第3章介绍5G位置服务架构和信令过程，第4～6章分别介绍5G下行定位技术、5G上行定位技术和5G上下行联合定位技术，第7章介绍5G蜂窝网络和非蜂窝网络的融合定位技术，第8章介绍5G NR载波相位定位技术，第9章介绍5G定位标准的进展和趋势展望。

本书适合通信工程技术人员及其他通信行业从业人员、高校通信相关专业的老师和学生阅读。

作者简介：

孙韶辉

博士，中信科移动通信技术股份有限公司副总经理，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，研究方向包括移动通信系统设计及多天线技术、卫星通信和定位等关键技术。

任斌

博士，中信科移动通信技术股份有限公司高 级工程师，从事4G和5G技术研究和标准化工作，研究方向为无线蜂窝网络中的高精度定位技术、非正交多址接入技术和随机接入技术。

达人

博士，中信科移动通信技术股份有限公司高 级技术专 家，长期从事移动通信新技术研究与标准制定工作，曾担任3GPP 5G NR Release-16/17/18定位研究项目和工作项目的报告人和特性负责人。

范绍帅

博士，北京邮电大学信息与通信工程学院讲师、硕士生导师，从事移动通信新理论和技术研究，研究方向为5G/B5G/6G组网及关键技术、高精度定位授时技术。

目  录：

第 1章 蜂窝网络定位技术发展概述1

1.1 引言 2

1.2 无线定位系统的概述和技术发展 2

1.2.1 蜂窝网络定位系统 2

1.2.2 卫星定位系统 3

1.2.3 无线局域网定位系统 4

1.2.4 蓝牙定位系统 5

1.2.5 超宽带定位系统 5

1.3 蜂窝网络定位技术的演进过程 6

1.4 小结 8

参考文献 9

第 2章 蜂窝网络定位技术基础 13

2.1 引言 14

2.2 蜂窝网络定位技术 14

2.2.1 增强小区标识(E-CID)定位技术 15

2.2.2 下行链路到达时间差(DL-TDOA)定位技术 15

2.2.3 上行链路到达时间差(UL-TDOA)定位技术 17

2.2.4 多小区往返行程时间(Multi-RTT)定位技术 18

2.2.5 下行链路离开角(DL-AoD)定位技术 20

2.2.6 上行链路到达角(UL-AoA)定位技术 20

2.2.7 5G蜂窝网络融合定位技术 21

2.3 定位测量量估计算法 22

2.3.1 传输时延(TOA)估计 22

2.3.2 到达角(AoA)估计 24

2.3.3 传输时延(TOA)和到达角(AoA)联合估计 26

2.4 终端位置解算算法 27

2.4.1 最小二乘法及Chan定位算法 28

2.4.2 泰勒级数算法 31

2.4.3 指纹定位算法 32

2.5 定位性能指标 34

2.5.1 克拉美罗下界(CRLB) 34

2.5.2 均方误差(MSE)与均方根误差(RMSE) 35

2.5.3 累积分布函数(CDF) 36

2.6 小结 37

参考文献 37

第3章 5G位置服务架构和信令过程 39

3.1 引言 40

3.2 位置服务架构 40

3.2.1 位置服务端到端架构 40

3.2.2 RAN侧定位架构 43

3.3 网元功能和接口功能 45

3.3.1 网元功能 45

3.3.2 接口功能 50

3.4 位置服务和信令过程 55

3.4.1 位置服务 55

3.4.2 端到端位置服务过程 58

3.4.3 网络与终端定位过程 87

3.5 小结 97

参考文献 98

第4章 5G下行定位技术 101

4.1 引言 102

4.2 下行定位参考信号 102

4.2.1 下行定位参考信号资源/资源集 102

4.2.2 下行定位参考信号资源单元映射图案设计 105

4.2.3 下行定位参考信号序列设计 107

4.2.4 下行定位参考信号端口与带宽 108

4.2.5 下行定位参考信号配置 109

4.3 下行定位测量量 113

4.3.1 下行参考信号时间差 113

4.3.2 下行定位参考信号接收功率 115

4.3.3 下行定位参考信号子径接收功率 115

4.4 下行定位物理层过程 116

4.4.1 下行测量过程 116

4.4.2 基站天线与波束信息上报过程 117

4.4.3 下行定位辅助数据 118

4.4.4 下行定位参考信号波束管理过程 119

4.4.5 下行定位参考信号接收功率的上报 120

4.4.6 下行收发定时误差影响消除 121

4.4.7 下行非视距/多径影响消除 124

4.5 下行定位高层流程 125

4.5.1 终端与定位服务器间的信令流程 125

4.5.2 基站与定位服务器间的信令流程 127

4.5.3 RRC_INACTIVE状态下的下行定位技术的定位流程 128

4.5.4 按需点播下行定位参考信号流程 129

4.6 小结 131

参考文献 132

第5章 5G上行定位技术 135

5.1 引言 136

5.2 上行定位探测参考信号 136

5.2.1 上行定位探测参考信号资源设计 137

5.2.2 上行定位探测参考信号序列设计 137

5.2.3 上行定位探测参考信号资源单元映射图案设计 138

5.2.4 上行定位探测参考信号循环移位设计 139

5.2.5 上行定位探测参考信号配置方案 141

5.3 上行定位测量量 142

5.3.1 上行相对到达时间 143

5.3.2 上行探测参考信号接收功率 143

5.3.3 上行探测参考信号子径接收功率 143

5.3.4 上行到达角 144

5.3.5 上行定位测量量的上报 144

5.4 上行定位物理层过程 145

5.4.1 上行定位探测参考信号定时提前调整 145

5.4.2 上行定位探测参考信号的功率控制 146

5.4.3 上行定位探测参考信号波束管理 147

5.4.4 上行收发定时误差影响消除 149

5.4.5 UL-AoA定位技术的增强方案 152

5.4.6 上行非视距/多径影响的消除 153

5.5 上行定位高层流程 154

5.5.1 终端与服务基站间的信令流程 154

5.5.2 基站与定位服务器间的信令流程 156

5.5.3 非激活态上行定位技术的流程 159

5.6 小结 161

参考文献 161

第6章 5G上下行联合定位技术 163

6.1 引言 164

6.2 Multi-RTT定位的定位测量量 164

6.2.1 UE Rx-Tx时间差 164

6.2.2 gNB Rx-Tx时间差 165

6.3 上下行联合定位物理层过程 165

6.3.1 上下行联合收发定时误差消除增强方案 165

6.3.2 上下行NLOS/多径处理增强方案 168

6.4 上下行联合定位技术的高层流程 168

6.4.1 终端与定位服务器、服务基站间的信令流程 170

6.4.2 基站与定位服务器间的信令流程 173

6.4.3 RRC_INACTIVE状态的定位流程 176

6.5 小结 178

参考文献 178

第7章 5G蜂窝网络和非蜂窝网络的融合定位技术 181

7.1 引言 182

7.2 非蜂窝网络定位技术 182

7.2.1 网络辅助的全球卫星导航系统 182

7.2.2 无线局域网定位 186

7.2.3 蓝牙定位 187

7.2.4 惯性导航定位 187

7.3 5G融合定位技术 190

7.4 5G辅助卫星的增强定位 191

7.4.1 辅助卫星定位系统 191

7.4.2 辅助卫星定位数据 192

7.5 小结 194

参考文献 195

第8章 5G NR载波相位定位技术 199

8.1 引言 200

8.2 基本原理 200

8.3 信号模型 201

8.4 关键技术 203

8.4.1 测量算法 203

8.4.2 初始时偏/相偏消除算法 208

8.4.3 UE位置解算算法 209

8.4.4 多径信道影响消除算法 216

8.5 5G NR载波相位定位对3GPP协议的影响 219

8.5.1 载波相位定位参考信号 219

8.5.2 载波相位测量量 221

8.5.3 物理层过程 223

8.6 性能评估 224

8.6.1 克拉美罗下界分析 224

8.6.2 仿真评估 226

8.7 小结 227

参考文献 228

第9章 5G定位标准的进展和趋势展望 231

9.1 引言 232

9.2 5G定位场景和性能指标 232

9.2.1 3GPP协议中5G定位服务总体需求和性能指标 232

9.2.2 3GPP 5G V2X定位性能要求 233

9.2.3 3GPP 5G公共安全定位性能指标 233

9.2.4 3GPP 5G测距业务定位性能指标 234

9.2.5 3GPP 5G LPHAP定位性能指标 234

9.2.6 3GPP Release 16 NR定位场景和性能指标 234

9.2.7 3GPP Release 17 NR定位场景和性能指标 235

9.3 5G-Advance定位及6G定位技术展望 235

9.3.1 直通链路定位 235

9.3.2 载波带宽聚合定位 236

9.3.3 5G NR载波相位定位 236

9.3.4 蜂窝网络定位完好性 237

9.3.5 低功耗高精度定位 237

9.3.6 低能力等级终端定位 238

9.3.7 人工智能/机器学习定位 238

9.3.8 6G定位技术展望 239

9.4 小结 240

参考文献 241

缩略语 245

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5G通信 辅助卫星

摘要：随着5G通信技术的快速发展，定位技术在移动通信、智能交通、物联网等领域中扮演着关键角色。《5G通信系统定位技术原理与方法》一书系统梳理了5G通信系统中的定位技术原理、方法及应用，全面揭示了高精度定位技术的发展脉络和实践方法。书中不仅阐述了5G定位技术的基本理论，还深入探讨了时延测量、角度测量、多基站协同定位等技术细节，结合案例分析提供了实用参考。同时，书中对各种定位算法进行了系统总结，包括基于网络的定位方法、基于终端的定位方法以及混合定位方法，展示了5G通信系统在不同场景下实现精准定位的可行性。通过对信号特性、网络架构及定位算法的全面分析，本书为学术研究者、工程技术人员提供了理论与实践相结合的参考资料，体现了5G定位技术在现代通信系统中的战略意义和技术前沿。

1、5G定位技术基础原理

5G通信系统定位技术的基础原理主要包括信号测量、传输特性分析以及网络资源调度等方面。书中首先阐述了时延测量、角度测量和信号强度测量的基本概念，强调这些基础测量在定位精度提升中的核心作用。通过对信号传播模型的分析，可以理解多径效应、路径损耗及衰落特性对定位精度的影响。

在理论分析部分，书中详细介绍了基于时间差测距（TDOA）、基于到达时间（TOA）和基于角度的定位（AOA）等定位原理，清晰展示了各类测量方法的适用场景及优缺点。这些理论奠定了5G定位技术应用的数学基础，为后续算法设计提供了支撑。

此外，书中还探讨了网络架构对定位性能的影响，尤其是5G新空口（NR）与核心网协同定位的机制。通过分析基站部署密度、信号覆盖范围及网络时钟同步精度，读者能够理解系统级定位性能优化的关键因素，为实际部署提供指导。

2、定位算法与技术方法

书中对5G定位算法进行了系统分类，包括基于网络侧、终端侧及混合定位的算法。网络侧算法主要依靠基站测量数据，通过多基站联合计算实现终端位置推算，适用于宏观场景下的高可靠定位。算法设计中强调了数据融合与滤波技术，如卡尔曼滤波、粒子滤波的应用，提高定位精度和抗干扰能力。

终端侧算法则利用用户设备自身的信号测量能力，通过对接收信号的分析进行定位计算，适合在信号复杂或基站覆盖不全的环境下使用。书中详细解释了终端侧算法的实现步骤，包括信号采集、特征提取、算法求解和结果优化，为终端侧定位提供完整解决方案。

混合定位方法结合网络侧与终端侧的优势，通过多源数据融合和优化算法实现高精度定位。书中提供了算法设计实例，说明在复杂城市环境中如何利用网络测量数据与终端传感器数据进行协同定位，从而达到亚米级定位精度。

3、5G定位系统架构设计

书中详细介绍了5G定位系统的整体架构，包括核心网络、接入网、定位服务平台及终端设备的协同工作机制。通过分层架构设计，定位系统能够在保证通信性能的同时，实现高精度、高可靠的定位服务。核心网负责数据处理、算法计算及定位信息管理，接入网提供必要的信号测量与同步功能。

在接入网层面，书中分析了NR基站与用户设备的信号交互模式，强调基站密集部署和多天线阵列在角度测量和信号增强中的作用。通过系统架构优化，定位数据可以快速汇集并进行多基站融合计算，提高定位响应速度和精度。

此外，书中还提出了面向智能应用的定位服务平台设计思路，包括接口标准化、数据安全保障以及多场景适配能力。通过这些架构设计，5G定位系统不仅满足通信需求，还能支撑车联网、无人驾驶、智慧城市等应用场景。

4、定位技术应用与实践案例

书中通过丰富案例展示了5G定位技术在实际场景中的应用，如智能交通管理、工业物联网、公共安全和商业定位服务。每个案例均从需求分析、系统设计、实施方案及效果评估进行详细阐述，体现理论与实践的紧密结合。通过案例，读者可以直观理解定位技术在不同环境下的适应性和应用价值。

在智能交通场景中，书中分析了车辆定位与导航系统的精度要求，以及如何通过多基站协同和高精度算法满足实时定位需求。通过数据仿真和现场测试结果，展示了5G定位技术在提高交通效率和安全性方面的优势。

工业物联网场景下，书中探讨了设备定位与调度管理的实现方法，强调室内复杂环境下的信号衰落补偿和算法优化。案例展示了5G定位系统在生产效率提升、故障追踪及资源调度中的实际价值，为工业应用提供可借鉴经验。

总结：

《5G通信系统定位技术原理与方法》系统梳理了5G定位技术的基础原理、算法方法、系统架构及应用实践，为读者提供了理论与实践相结合的全面参考。书中通过详尽的算法分析和案例研究，展示了5G定位技术在通信系统和智能应用中的核心价值和发展前景。

整体来看，本书不仅适合通信工程技术人员深入学习，也为学术研究提供了坚实的理论基础和实践指南，体现了5G定位技术在现代信息社会中的战略意义和应用潜力。

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