¿Cómo mejorarán las redes 5G el conocimiento de la ubicación?

La versión 16 de 3GPP promete hacer que los servicios de ubicación de alta precisión sean más baratos y confiables. La explotación de nuevas propiedades de señal en combinación con una variedad de tecnologías no celulares podría permitir formas de posicionamiento híbrido.

3GPP Release 16 promete hacer que los servicios de localización de alta precisión sean más baratos y fiables. La explotación de nuevas propiedades de señal en combinación con una variedad de tecnologías no celulares podría permitir formas de posicionamiento híbrido.

¿Confías en tu GPS? ¿Estarías dispuesto a seguirlo ciegamente? Aunque rara vez lo consideramos como tal, una lectura de posición del receptor de los Sistemas de Navegación por Satélite Global (GNSS) en nuestro teléfono inteligente o nuestro automóvil es una cantidad estadística. Le dice que con una probabilidad determinada, digamos 50%, se encuentra dentro de una distancia definida, digamos 1 metro, de la posición indicada. En última instancia, la forma en que se relaciona con la información proporcionada depende de cuánta fe esté dispuesto a depositar en los resultados que ofrece su dispositivo.

Sistemas globales de navegación por satélite (GNSS)

GNSS ha sido durante mucho tiempo la fuente única de estimaciones de posición precisas para los dispositivos de los usuarios. Pero a medida que las aplicaciones se vuelven más generalizadas, diversas y críticas para la seguridad, comprender cómo cuantificar la confiabilidad de las lecturas y tener fuentes alternativas de entrada a las que recurrir cuando el GNSS no está disponible se ha convertido en algo fundamental para su éxito.

GNSS, por supuesto, no es la única fuente disponible de información de posición. Los dispositivos que cuentan con un módem celular pueden determinar su posición aproximada usando señales celulares. Los actores clave en el mercado, como u-blox, han ofrecido durante mucho tiempo soluciones de posicionamiento híbridas y basadas en señales celulares en sus módulos de comunicación celular, este último combinando señales GNSS y celulares, para expandir la cobertura de los servicios de ubicación.

Ahora, el posicionamiento 5G, un componente que a menudo se pasa por alto de la construcción de la tecnología 5G, está siendo desarrollado y estandarizado por el 3GPP (Proyecto de Asociación de Tercera Generación) impulsado por la industria. Este organismo, que reúne a siete organizaciones dedicadas al desarrollo de estándares de telecomunicaciones y cientos de miembros corporativos, está impulsando el desarrollo del posicionamiento 5G como un componente de la tecnología de comunicación celular de próxima generación, teniendo en cuenta las necesidades de diversas industrias verticales.

Una breve mirada retrospectiva

El posicionamiento ha jugado un papel importante en la habilitación de la comunicación celular desde sus inicios. Inicialmente, era un mero producto secundario:para enrutar las llamadas entrantes al dispositivo final del destinatario, los operadores de redes móviles necesitaban saber a qué usuarios finales de estaciones base celulares específicas estaban conectados en un momento dado.

Eso cambió en 1999, cuando las autoridades reguladoras de EE. UU. Establecieron requisitos para estimaciones de posición de alta precisión para habilitar los servicios de emergencia, lo que llevó a la primera generación de servicios de ubicación dedicados basados ​​en tecnología celular. ¹ La UE siguió el ejemplo de Estados Unidos en 2002. ² Desde entonces, la gama de servicios de ubicación se ha expandido con cada generación sucesiva de tecnología celular, impulsada principalmente por las demandas de la industria y estandarizada por 3GPP.

Como resultado, las redes 4G LTE de hoy ofrecen a los operadores de redes móviles una amplia gama de enfoques para determinar la ubicación de cada usuario con diversos grados de precisión. Estos enfoques aprovechan las diversas combinaciones de infraestructura de red fija y móvil, así como fuentes externas, como satélites de posicionamiento.

La siguiente tabla describe los principales servicios de ubicación 4G LTE. ³

Tabla 1. Los principales servicios de ubicación 4G LTE

Nuevos casos de uso y demandas

Si bien el principal impulsor de los servicios basados ​​en la ubicación han sido las demandas de las autoridades reguladoras, en la actualidad, varias empresas públicas y privadas, incluidos fabricantes de hardware y equipos, agencias espaciales y operadores de redes móviles, están presionando para que los servicios de ubicación celular brinden mayor precisión y precisión. para permitir una nueva generación de servicios basados ​​en la ubicación con motivación comercial.

Estas aplicaciones se clasifican ampliamente como asistidas por UE, en las que la red y la aplicación externa obtienen la posición para rastrear el paradero del objeto, y basadas en UE, en las que el UE calcula su propia posición con el propósito de navegación y guía. . ⁴

Al mismo tiempo, la penetración de Internet de las cosas (IoT) en todas las facetas de nuestra economía y vida social está aumentando las expectativas sobre la cobertura y confiabilidad de la tecnología de posicionamiento. Si bien hoy en día esperamos tener acceso a Internet de alta velocidad en casi todas partes, lo mismo ocurrirá probablemente con el posicionamiento de alta precisión.

Como resultado, el 3GPP y otros organismos de estandarización están revisando el espacio de aplicación y los requisitos de rendimiento para el posicionamiento celular en sus próximas versiones. Los casos de uso que pueden beneficiarse de los servicios mejorados de posicionamiento de alta precisión son de amplio alcance, incluidos la industria, el seguimiento de activos, la automoción, la gestión del tráfico, las ciudades inteligentes, las bicicletas compartidas, los hospitales, los UAV, los servicios públicos, la realidad aumentada (RA) y los consumidores y wearables profesionales.

En general, la tecnología 5G tiene como objetivo ofrecer una variedad de servicios de posicionamiento híbridos y celulares que brindan posicionamiento tanto absoluto como relativo, según las necesidades de cada caso de uso específico. Fundamentalmente, la información de posición debe entregarse con una medida de la confianza que se puede depositar en la lectura. Los requisitos clave que aún no se han definido y acordado por completo son la precisión horizontal y vertical, la precisión relativa (entre dispositivos cercanos), el tiempo hasta el primer arreglo, la precisión de la velocidad, el consumo de energía, las latencias, así como las propiedades operativas y relacionadas con la seguridad. . ⁵

A continuación, analizaremos las demandas impuestas por tres casos de uso en particular en las industrias verticales:(i) misiones y operaciones de UAV, (ii) aplicaciones de seguimiento IIoT y (iii) navegación autónoma de vehículos. Los valores citados para los dos primeros casos de uso se extraen del informe técnico 3GPP TR 22.872. ⁶ Aquellos para el caso de uso automotriz, que comprende una amplia gama de aplicaciones específicas, se extraen de referencias adicionales. ^7,8

Figura 1. Requisitos para casos de uso emergentes de posicionamiento 5G en tres verticales seleccionadas.

Cómo la nueva generación de receptores GNSS está cambiando de posición

En los últimos años, el posicionamiento basado en satélites ha experimentado un rápido desarrollo. En los primeros días de la navegación por satélite, los receptores GNSS tenían que depender de una sola constelación de satélites en órbita, ya sea el sistema GPS estadounidense o el GLONASS ruso, para determinar su posición. Ahora hay más sistemas operativos con los sistemas europeo Galileo y chino Beidou y varios sistemas regionales de aumento agregados a los dos originales. En la actualidad, los receptores GNSS de múltiples constelaciones que pueden recibir simultáneamente señales de todas las constelaciones GNSS en órbita, como la generación de receptores u-blox F9, se están convirtiendo en la norma. Como resultado, los receptores pueden "ver" una mayor cantidad de satélites, incluso cuando grandes porciones del cielo están obstruidas, como en cañones urbanos (o reales), mejorando la precisión y reduciendo el tiempo para lograr una posición fija.

Inicialmente, los receptores GNSS usaban señales de satélite transmitidas en una sola banda de frecuencia para estimar su ubicación. Una de las principales fuentes de error de posición se produce cuando las señales del satélite se ralentizan a medida que atraviesan la ionosfera cargada. Debido a que este retraso es proporcional a la inversa de la frecuencia al cuadrado, el uso de señales de bandas de frecuencia adicionales puede ayudar a determinar y corregir el error ionosférico. La última generación de receptores GNSS de doble banda ha reducido el error de posición promedio de aproximadamente 2,5 ma menos de un metro en condiciones de cielo abierto utilizando un posicionamiento estándar basado en código.

La calidad del posicionamiento GNSS se ha beneficiado durante mucho tiempo de los servicios comerciales de corrección de GNSS. Los proveedores de servicios de corrección GNSS generalmente monitorean las señales GNSS entrantes utilizando una red de estaciones base con posiciones conocidas con precisión y transmiten información de corrección personalizada a los usuarios finales por una tarifa. Para el posicionamiento basado en código, se denominan correcciones diferenciales.

Cuando se utilizan métodos RTK (cinemática en tiempo real) de seguimiento de fase portadora de alta precisión, las correcciones obtenidas de un receptor de referencia cercano permiten lograr un posicionamiento a nivel centimétrico. En la actualidad, se está creando una nueva generación de servicios de corrección GNSS, que adopta un enfoque alternativo, transmitiendo códigos GNSS y datos de corrección de fase de portadora para una región geográfica completa, p. un país o todo un continente, a través de Internet o satélite.

La combinación de receptores de múltiples constelaciones y múltiples bandas con nuevos esquemas de corrección GNSS para lograr precisiones de nivel centimétrico, todo a un costo de propiedad significativamente reducido, está allanando el camino para nuevos tipos de aplicaciones de mercado masivo para posicionamiento de alta precisión a nivel centimétrico .

Dicho esto, GNSS sigue teniendo dos desventajas:los receptores deben estar idealmente dentro de la línea de visión de los satélites en órbita para determinar la posición. En interiores y en túneles, los servicios se degradan o incluso no están disponibles. Y, en el mejor de los casos, un receptor GNSS tarda varios segundos en determinar sin ambigüedades su posición por primera vez desde un arranque en frío. Alimentado por sensores inerciales, las soluciones de navegación a estima, principalmente adaptadas a aplicaciones automotrices, amplían significativamente el alcance del posicionamiento de alta precisión más allá del alcance de las señales GNSS. El GNSS asistido (A-GNSS) acelera el tiempo hasta la primera reparación al ofrecer una forma más rápida de recuperar datos de reloj y órbita GNSS que a través de las propias señales GNSS.

Cómo 5G traerá nuevas mejoras al posicionamiento basado en celulares

5G New Radio, la próxima generación de tecnología celular definida por el 3GPP de la versión 15, ya está en proceso. ⁹ Los usuarios finales en algunas regiones tendrán acceso primero a la arquitectura no autónoma que se basa en 4G LTE ya en el primer semestre de 2019, con Samsung y Verizon, LG y Sprint, y Huawei lanzando teléfonos inteligentes 5G a principios de 2019, y se espera que Apple lo siga. 2020. ¹⁰ A esto le seguirá el despliegue de 5G independiente.

Varios operadores de redes móviles ya han anunciado públicamente implementaciones de redes 5G, comenzando en centros urbanos. Estados Unidos está liderando el grupo. AT&T comenzó sus implementaciones en 2018 y continuará hasta 2019, con el objetivo de ofrecer cobertura a nivel nacional a mediados de año. ¹¹ En Corea, el segundo país en participar en la carrera, las empresas de telecomunicaciones han anunciado conjuntamente planes para implementar 5G en marzo de 2019. ¹² En el Reino Unido, Vodafone anunció planes para comenzar a implementar la tecnología en 2020. Sin embargo, los servicios de posicionamiento de alta precisión no pasarán a formar parte de las especificaciones 3GPP 5G NR hasta la Versión 16 a fines de 2019, y la implementación se realizará en 2020 antes.

Las fuerzas impulsoras detrás de 5G son diversas. Las nuevas aplicaciones están trayendo mayores demandas sobre la mesa en términos de confiabilidad, disponibilidad, cobertura y latencia del rendimiento de la red celular. Los operadores de redes móviles buscan 5G para generar nuevas fuentes de ingresos de las verticales de la industria. Los proveedores de chipsets ven en 5G una oportunidad para aumentar los ingresos mediante la concesión de licencias de derechos de propiedad intelectual. Y los usuarios obtendrán las velocidades de datos más altas que han estado solicitando.

La tecnología de comunicación celular 5G aborda estos diversos requisitos a través de tres escenarios de uso clave:eMBB, uRLLC y mMTC, que describimos brevemente a continuación.

• eMBB (banda ancha móvil mejorada) expande el espectro dedicado a la comunicación celular a frecuencias mucho más altas que transportan datos a velocidades más rápidas.
• URLLC (Comunicaciones de baja latencia ultra confiables) genera nuevas oportunidades, como aplicaciones de vehículos autónomos y vehículos para todo (V2X).
• mMTC (comunicaciones masivas de tipo de máquina) continuará evolucionando los desarrollos de aplicaciones de IoT en comunicaciones de área amplia de baja potencia (LPWA).

Permitir el posicionamiento en estos escenarios requiere nuevas señales y una nueva infraestructura que se pueda explotar para ampliar la gama de técnicas disponibles, ¹³ incluyendo anchos de banda más grandes a frecuencias más altas, más antenas combinadas en complejos conjuntos de antenas y redes de telecomunicaciones más densas. Los objetivos son ambiciosos:precisión de posición submétrica entregada con baja latencia por debajo de 15 milisegundos.

5G ofrece frecuencias y anchos de banda más grandes

Actualmente, 3GPP se está enfocando en llevar una variedad de métodos de posicionamiento 4G LTE a 5G. Normalmente, estos utilizan señales de enlace ascendente y enlace descendente para determinar la posición de los dispositivos finales individuales para determinar su posición en relación con las antenas de redes móviles, que sirven como puntos de anclaje. Algunos ejemplos son enfoques mejorados basados ​​en Cell-ID y TDOA.

En Cell-ID mejorado, los dispositivos finales monitorean su proximidad a múltiples estaciones base, midiendo la fuerza de la señal y el tiempo de propagación aproximado al dispositivo. Combinando estas observaciones, se puede calcular una mejor estimación de la posición del dispositivo que simplemente midiendo solo el centro de celda más cercano.

En los enfoques basados ​​en TDOA, el dispositivo final mide con precisión los tiempos de llegada de las señales de varias estaciones base. Usando la multilateración basada en las diferencias de tiempo entre los tiempos de recepción observados, el dispositivo puede determinar su posición en las estaciones base observadas con mayor precisión que usando Cell-ID mejorado.

Otra clase es el enlace lateral aún mal explotado, una tecnología 4G LTE que involucra la comunicación de dispositivo a dispositivo que puede permitir que los dispositivos determinen sus posiciones entre sí. Un caso de uso obvio son las comunicaciones de vehículo a vehículo (V2V).

La nueva asignación de espectro de 5G es una buena noticia para el posicionamiento basado en celulares, en particular, debido a la disponibilidad de anchos de banda más grandes que se encuentran en frecuencias más altas (mmWave por encima de 24 GHz además de por debajo de 6 GHz). Un ancho de banda más grande significa que el tiempo de la señal se puede resolver con mayor precisión (existe una relación inversa entre el tiempo y el ancho de banda), por lo que los anchos de banda más grandes ofrecen una capacidad mejorada para resolver los efectos de trayectos múltiples, la principal fuente de error en entornos urbanos e interiores desordenados porque las señales viajan de manera diferente. los caminos llegan en diferentes momentos.

El cambio de 5G a nuevas frecuencias también afecta el despliegue geográfico de las estaciones base celulares y las tecnologías de antena utilizadas, lo que nuevamente beneficia el posicionamiento basado en celulares. Debido a que incurren en pérdidas de propagación más altas, las longitudes de onda más cortas tienen menos alcance que las más largas, lo que significa que los MNO deberán implementar más estaciones base para mantener la cobertura. Además, la introducción de conjuntos de antenas con capacidad de formación de haces ayudará a dirigir las señales hacia los usuarios finales. Una mayor densidad de antenas con detección direccional mejorará la resolución de los componentes de trayectos múltiples midiendo el retardo, el ángulo de llegada (AoA) y el ángulo de salida (AoD), mejorando el rendimiento de posicionamiento. Además, puede ser posible localizar dispositivos usando una sola estación base.

El posicionamiento omnipresente de alta precisión requerirá enfoques híbridos

Ningún enfoque podrá proporcionar de manera confiable la precisión requerida por los casos de uso objetivo en todas las condiciones ambientales. Como hemos visto, si bien las soluciones basadas en GNSS de hoy son capaces de proporcionar posiciones de alta precisión de manera confiable, tienen limitaciones para aplicaciones en interiores. Por otro lado, las soluciones de posicionamiento basadas en 5G pueden complementar y proporcionar estimaciones de posición precisas para escenarios tanto en interiores como en exteriores.

Las soluciones híbridas que combinan de manera óptima múltiples enfoques celulares con otros no celulares, como GNSS, sistemas de balizas terrestres (TBS), mediciones basadas en Wi-Fi y Bluetooth y mediciones inerciales (IMU), son las más prometedoras para lograr estos objetivos. Las redundancias adicionales permiten una mayor tolerancia a fallas y una mejor integridad de la solución general, lo que brinda una medida cuantitativa de confianza que acompaña a cada estimación de posición.

Reconociendo la promesa de las soluciones de posicionamiento híbridas para permitir nuevas aplicaciones, el alcance del estudio 3GPP incluye señales GNSS y satelitales, así como señales terrestres como Wi-Fi y Bluetooth, y más. Las soluciones resultantes, que surgen del artículo del estudio 3GPP, tienen como objetivo la introducción en las especificaciones de radio para la Versión 16 - Q1 2020.

Desafíos establecidos para 3GPP

El 3GPP se ha fijado objetivos ambiciosos, con la versión 16 programada para el primer semestre de 2020. La implementación de soluciones de posicionamiento basadas en celulares sobre el diverso panorama de señales de 5G será un esfuerzo complejo, al igual que alentar el despliegue oportuno de la infraestructura para permitir una cobertura suficientemente amplia para atraer una base de usuarios lo suficientemente grande.

Como hemos visto, los enfoques de posicionamiento híbrido serán cruciales para satisfacer las estrictas necesidades de las aplicaciones emergentes, en particular porque la expectativa de un posicionamiento de alta precisión en todas partes, todo el tiempo, se convierte en la norma. Esto inevitablemente requerirá que representantes de diferentes tecnologías, ya sea GNSS, celular, de corto alcance, comunicaciones por satélite u otras, trabajen juntos para producir un resultado que sea mejor que la suma de sus partes constituyentes.

La posición única de u-blox en la industria, como proveedor líder de GNSS, tecnología inalámbrica y celular de corto alcance, hace que el advenimiento de los enfoques de posicionamiento 5G, en particular, aquellos que combinan tecnologías, sea particularmente emocionante. El posicionamiento híbrido se basa en la convergencia de nuestras competencias centrales y vemos un enorme potencial de innovación, nuevos niveles de rendimiento y nuevos casos de uso. A medida que contribuimos a acelerar la unión de estos mundos diferentes para brindar una solución mejor y más completa, no podemos evitar esperar el resultado.

Este artículo fue coautor de David Bartlett, ingeniero principal sénior, posicionamiento del centro de productos en u-blox.

Referencias

• 1) Servicios FCC 911 y E911
• 2) Resúmenes de la legislación de la UE:servicios de telecomunicaciones asequibles:derechos de los usuarios
• 3) Basado en “Evolución de las técnicas de posicionamiento en redes celulares, de 2G a 4G”, Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE es la abreviatura de Equipo de usuario
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Informe técnico, Proyecto de asociación de tercera generación; Servicios del grupo de especificaciones técnicas y aspectos del sistema; Estudio de casos de uso de posicionamiento; Etapa 1, (versión 16)
• 7) Posicionamiento de alta precisión para Cooperative-ITS (HIGHTS), entregable del proyecto D2.1:casos de uso y requisitos de aplicación (1 de mayo de 2015)
• 8) Informe sobre las necesidades y requisitos de los usuarios de la carretera, resultado de la plataforma de consulta del USUARIO del GNSS europeo, Agencia Europea de Sistemas de Navegación por Satélite Global (GSA) (18 de octubre de 2018)
• 9) Se alcanza el hito de la arquitectura del sistema de la fase 1 de 5G, 3GPP, (21 de diciembre de 2017)
• 10) Principales teléfonos 5G:todos los teléfonos 5G anunciados y aún por llegar en 2019
• 11) AT&T nombra 99 nuevos mercados de evolución 5G
• 12) Los jefes de transportistas se comprometen con el "Día 5G de Corea"
• 13) Documento técnico sobre nuevos métodos de localización para sistemas inalámbricos 5G e Internet de las cosas, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

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