Bagaimana Jaringan 5G Meningkatkan Kesadaran Lokasi?

3GPP Rilis 16 menjanjikan untuk membuat layanan lokasi presisi tinggi lebih murah dan lebih andal. Memanfaatkan properti sinyal baru dalam kombinasi dengan berbagai teknologi non-seluler dapat memungkinkan bentuk pemosisian hibrida.

3GPP Rilis 16 menjanjikan untuk membuat layanan lokasi presisi tinggi lebih murah dan lebih dapat diandalkan. Memanfaatkan sifat sinyal baru dalam kombinasi dengan berbagai teknologi non-seluler dapat memungkinkan bentuk pemosisian hibrida.

Apakah Anda mempercayai GPS Anda? Apakah Anda siap untuk mengikutinya secara membabi buta? Meskipun kita jarang menganggapnya seperti itu, pembacaan posisi dari penerima Sistem Satelit Navigasi Global (GNSS) di ponsel cerdas atau mobil kita adalah kuantitas statistik. Ini memberitahu Anda bahwa dengan probabilitas tertentu – katakanlah 50% – Anda berada dalam jarak yang ditentukan – katakanlah 1 meter – dari posisi yang ditunjukkan. Pada akhirnya, bagaimana Anda berhubungan dengan informasi yang diberikan bergantung pada seberapa besar keyakinan Anda terhadap output yang diberikan perangkat Anda.

Sistem Satelit Navigasi Global (GNSS)

GNSS telah lama menjadi sumber unik untuk perkiraan posisi yang akurat untuk perangkat pengguna. Namun karena aplikasi menjadi lebih luas, beragam, dan kritis terhadap keselamatan, memahami cara mengukur keandalan pembacaan dan memiliki sumber input alternatif untuk digunakan kembali saat GNSS tidak tersedia menjadi sangat penting bagi keberhasilan mereka.

GNSS, tentu saja, bukan satu-satunya sumber informasi posisi yang tersedia. Perangkat yang dilengkapi modem seluler dapat menentukan perkiraan posisinya menggunakan sinyal seluler. Pemain kunci di pasar, seperti u-blox, telah lama menawarkan solusi pemosisian berbasis sinyal seluler dan hibrid dalam modul komunikasi seluler mereka, yang terakhir menggabungkan GNSS dan sinyal seluler, untuk memperluas cakupan layanan lokasi.

Sekarang, pemosisian 5G, komponen konstruksi teknologi 5G yang sering diabaikan, sedang dikembangkan dan distandarisasi oleh 3GPP (Proyek Kemitraan Generasi Ketiga) yang digerakkan oleh industri. Badan ini, yang menyatukan tujuh organisasi yang berdedikasi untuk mengembangkan standar telekomunikasi dan ratusan anggota perusahaan, mendorong pengembangan pemosisian 5G sebagai komponen teknologi komunikasi seluler generasi berikutnya, dengan mempertimbangkan kebutuhan vertikal industri yang beragam.

Tinjauan Singkat ke Belakang

Positioning telah memainkan peran penting dalam memungkinkan komunikasi seluler sejak awal. Awalnya, ini hanyalah produk sampingan:untuk mengarahkan panggilan masuk ke perangkat akhir penerima, operator jaringan seluler perlu mengetahui pengguna akhir stasiun pangkalan seluler tertentu yang terhubung pada waktu tertentu.

Itu berubah pada tahun 1999, ketika otoritas pengatur AS memberlakukan persyaratan untuk perkiraan posisi akurasi tinggi untuk mengaktifkan layanan darurat, yang menghasilkan generasi pertama layanan lokasi khusus berdasarkan teknologi seluler. ¹ Uni Eropa mengikuti contoh AS pada tahun 2002. ² Sejak itu, jangkauan layanan lokasi telah berkembang dengan setiap generasi teknologi seluler yang berurutan, terutama didorong oleh tuntutan industri dan distandarisasi oleh 3GPP.

Akibatnya, jaringan 4G LTE saat ini menawarkan operator jaringan seluler berbagai pendekatan untuk menentukan lokasi setiap pengguna dengan berbagai tingkat akurasi. Pendekatan ini memanfaatkan berbagai kombinasi infrastruktur jaringan tetap dan seluler, serta sumber eksternal, seperti penentuan posisi satelit.

Tabel berikut menguraikan layanan lokasi utama 4G LTE. ³

Tabel 1. Layanan Lokasi Utama 4G LTE

Kasus Penggunaan dan Permintaan Baru

Sementara pendorong utama untuk layanan berbasis lokasi adalah tuntutan dari otoritas pengatur, hari ini, beberapa perusahaan publik dan swasta termasuk produsen perangkat keras dan peralatan, badan antariksa, dan operator jaringan seluler mendorong untuk pengiriman akurasi dan presisi yang lebih tinggi oleh layanan lokasi seluler. untuk memungkinkan generasi baru layanan berbasis lokasi bermotivasi komersial.

Aplikasi ini secara luas dikategorikan sebagai UE-Assisted, di mana jaringan dan aplikasi eksternal memperoleh posisi untuk melacak keberadaan objek, dan berbasis UE, di mana UE menghitung posisinya sendiri untuk tujuan navigasi dan panduan. . ⁴

Pada saat yang sama, penetrasi Internet of Things (IoT) ke dalam setiap aspek kehidupan ekonomi dan sosial kita meningkatkan harapan pada cakupan dan keandalan teknologi penentuan posisi. Saat ini, kami berharap memiliki akses ke Internet berkecepatan tinggi di mana saja, hal yang sama kemungkinan akan terjadi pada penentuan posisi dengan akurasi tinggi.

Akibatnya, 3GPP dan badan standardisasi lainnya mengambil pandangan baru pada ruang aplikasi dan persyaratan kinerja untuk penentuan posisi seluler dalam rilis mendatang mereka. Kasus penggunaan yang mendapat manfaat dari peningkatan layanan pemosisian presisi tinggi sangat luas, termasuk industri, pelacakan aset, otomotif, manajemen lalu lintas, kota pintar, sepeda bersama, rumah sakit, UAV, layanan publik, Augmented Reality (AR), dan konsumen dan perangkat yang dapat dikenakan profesional.

Secara keseluruhan, teknologi 5G bertujuan untuk menawarkan berbagai layanan pemosisian berbasis seluler dan hibrid yang memberikan pemosisian absolut dan relatif, tergantung pada kebutuhan setiap kasus penggunaan tertentu. Informasi posisi penting harus disampaikan dengan ukuran kepercayaan yang dapat ditempatkan pada bacaan. Persyaratan utama yang belum sepenuhnya ditentukan dan disepakati adalah akurasi horizontal dan vertikal, akurasi relatif (antara perangkat terdekat), time-to-first-fix, akurasi kecepatan, konsumsi daya, latensi, serta properti terkait operasional dan keamanan . ⁵

Berikut ini, kita akan melihat tuntutan yang dikenakan oleh tiga kasus penggunaan khususnya di industri vertikal:(i) misi dan operasi UAV, (ii) aplikasi pelacakan IIoT, dan (iii) navigasi kendaraan otonom. Nilai yang dikutip untuk dua kasus penggunaan pertama diambil dari laporan teknis 3GPP TR 22.872. ⁶ Untuk kasus penggunaan otomotif, yang terdiri dari berbagai aplikasi spesifik, diambil dari referensi tambahan. ^7,8

Gambar 1. Persyaratan untuk kasus penggunaan pemosisian 5G yang muncul di tiga vertikal terpilih.

Bagaimana Penerima GNSS Generasi Baru Mengubah Posisi

Selama beberapa tahun terakhir, penentuan posisi berbasis satelit telah mengalami perkembangan pesat. Pada hari-hari awal navigasi satelit, penerima GNSS harus bergantung pada konstelasi tunggal satelit yang mengorbit, baik sistem GPS AS atau GLONASS Rusia, untuk menentukan posisi mereka. Sekarang ada lebih banyak sistem operasional dengan sistem Galileo Eropa dan Beidou Cina dan beberapa sistem augmentasi regional ditambahkan ke dua sistem asli. Saat ini, penerima GNSS multi-konstelasi yang secara bersamaan dapat menerima sinyal dari semua konstelasi GNSS yang mengorbit, seperti penerima generasi u-blox F9, menjadi norma. Akibatnya, penerima dapat "melihat" lebih banyak satelit, bahkan ketika sebagian besar langit terhalang, seperti di ngarai perkotaan (atau sebenarnya), meningkatkan akurasi dan mengurangi waktu untuk mencapai penentuan posisi.

Awalnya, penerima GNSS menggunakan sinyal satelit yang ditransmisikan pada pita frekuensi tunggal untuk memperkirakan lokasinya. Salah satu sumber utama kesalahan posisi disebabkan ketika sinyal satelit melambat saat melintasi ionosfer bermuatan. Karena penundaan ini sebanding dengan kebalikan dari frekuensi kuadrat, menggunakan sinyal dari pita frekuensi tambahan dapat membantu menentukan dan mengoreksi kesalahan ionosfer. Penerima GNSS dual-band generasi terbaru telah menurunkan kesalahan posisi rata-rata dari kira-kira 2,5 m menjadi kurang dari satu meter dalam kondisi langit terbuka menggunakan pemosisian berbasis kode standar.

Kualitas pemosisian GNSS telah lama diuntungkan dari layanan koreksi GNSS komersial. Penyedia layanan koreksi GNSS biasanya memantau sinyal GNSS yang masuk menggunakan jaringan stasiun pangkalan dengan posisi yang diketahui secara tepat dan mengirimkan informasi koreksi yang disesuaikan kepada pengguna akhir dengan biaya tertentu. Untuk pemosisian berbasis kode, ini disebut koreksi diferensial.

Saat menggunakan metode RTK (Real Time Kinematic) pelacakan fase pembawa presisi tinggi, koreksi yang diperoleh dari penerima referensi terdekat memungkinkan penentuan posisi tingkat sentimeter dapat dicapai. Saat ini, generasi baru layanan koreksi GNSS sedang dibuat, yang mengambil pendekatan alternatif, menyiarkan kode GNSS dan data koreksi fase pembawa untuk seluruh wilayah geografis, mis. suatu negara atau seluruh benua, melalui Internet atau satelit.

Kombinasi penerima multi-konstelasi dan multi-band dengan skema koreksi GNSS baru untuk mencapai akurasi tingkat sentimeter, semuanya dengan biaya kepemilikan yang berkurang secara signifikan, membuka jalan bagi jenis baru aplikasi pasar massal untuk penentuan posisi akurasi tinggi tingkat sentimeter. .

Yang mengatakan, GNSS terus menderita dari dua kelemahan:Penerima harus idealnya sejajar dengan satelit yang mengorbit untuk menentukan posisi. Di dalam ruangan dan di terowongan, layanan menurun atau bahkan tidak tersedia. Dan, dalam kasus terbaik, penerima GNSS membutuhkan beberapa detik untuk secara jelas menentukan posisinya untuk pertama kalinya dari awal yang dingin. Didukung oleh sensor inersia, solusi perhitungan mati, terutama yang disesuaikan untuk aplikasi otomotif, secara signifikan memperluas cakupan pemosisian akurasi tinggi di luar jangkauan sinyal GNSS. Assisted GNSS (A-GNSS) mempercepat waktu untuk perbaikan pertama dengan menawarkan cara yang lebih cepat untuk mengambil data orbit dan jam GNSS daripada melalui sinyal GNSS itu sendiri.

Bagaimana 5G Akan Membawa Peningkatan Baru pada Pemosisian Berbasis Seluler

5G New Radio, teknologi seluler generasi berikutnya yang ditentukan oleh 3GPP dari Rilis 15, sudah dalam proses pembuatan. ⁹ Pengguna akhir di beberapa wilayah pertama-tama akan mendapatkan akses ke arsitektur non-mandiri yang dibangun di atas 4G LTE pada awal H1 2019, dengan Samsung dan Verizon, LG dan Sprint, dan Huawei merilis smartphone 5G pada awal 2019, dan Apple diharapkan untuk mengikutinya. 2020. ¹⁰ Ini akan diikuti oleh penyebaran 5G mandiri.

Beberapa operator jaringan seluler telah mengumumkan secara terbuka penyebaran jaringan 5G, dimulai di pusat kota. AS memimpin paket. AT&T memulai peluncurannya pada 2018 dan akan berlanjut hingga 2019, dengan tujuan menawarkan cakupan nasional pada pertengahan tahun. ¹¹ Di Korea, negara kedua yang mengikuti perlombaan, perusahaan telekomunikasi bersama-sama mengumumkan rencana untuk meluncurkan 5G pada Maret 2019. ¹² Di Inggris Raya, Vodafone mengumumkan rencana untuk mulai meluncurkan teknologi tersebut pada tahun 2020. Namun, layanan penentuan posisi dengan akurasi tinggi tidak akan menjadi bagian dari spesifikasi 3GPP 5G NR hingga Rilis 16 sekitar akhir tahun 2019, dengan penerapan menyusul pada tahun 2020 paling awal.

Kekuatan pendorong di balik 5G beragam. Aplikasi baru membawa tuntutan tinggi ke meja dalam hal keandalan, ketersediaan, jangkauan, dan latensi kinerja jaringan seluler. Operator jaringan seluler mencari 5G untuk membangun aliran pendapatan baru dari vertikal industri. Vendor chipset melihat di 5G peluang untuk meningkatkan pendapatan dengan melisensikan hak kekayaan intelektual. Dan pengguna akan mendapatkan kecepatan data yang lebih tinggi yang mereka minta.

Teknologi komunikasi seluler 5G menjawab beragam persyaratan ini melalui tiga skenario penggunaan utama:eMBB, uRLLC, dan mMTC, yang akan kami jelaskan secara singkat di bawah.

• eMBB (Enhanced Mobile Broadband) memperluas spektrum yang didedikasikan untuk komunikasi seluler ke frekuensi yang jauh lebih tinggi yang mengangkut data dengan kecepatan lebih cepat.
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) mendorong peluang baru seperti kendaraan otonom dan aplikasi vehicle-to-everything (V2X).
• mMTC (Massive Machine Type Communications) akan terus mengembangkan pengembangan aplikasi IoT dalam komunikasi low power wide area (LPWA).

Mengaktifkan pemosisian dalam skenario ini memerlukan sinyal baru dan infrastruktur baru yang dapat dimanfaatkan untuk memperluas jangkauan teknik yang tersedia, ¹³ termasuk bandwidth yang lebih besar pada frekuensi yang lebih tinggi, lebih banyak antena digabungkan ke dalam susunan antena yang kompleks, dan jaringan telekomunikasi yang lebih padat. Targetnya ambisius:akurasi posisi submeter dihasilkan dengan latensi rendah di bawah 15 milidetik.

5G Menawarkan Bandwidth dan Frekuensi Lebih Besar

3GPP saat ini berfokus untuk menghadirkan serangkaian metode penentuan posisi 4G LTE ke dalam 5G. Biasanya, ini menggunakan sinyal uplink dan downlink untuk menentukan posisi perangkat akhir individu untuk menentukan posisinya relatif terhadap antena jaringan seluler, yang berfungsi sebagai titik jangkar. Contohnya adalah pendekatan berbasis Cell-ID dan TDOA.

Dalam Cell-ID yang ditingkatkan, perangkat akhir memantau kedekatannya dengan beberapa stasiun pangkalan, mengukur kekuatan sinyal dan perkiraan waktu propagasi ke perangkat. Dengan menggabungkan pengamatan ini, perkiraan posisi perangkat yang lebih baik dapat dihitung daripada hanya mengukur pusat sel terdekat saja.

Dalam pendekatan berbasis TDOA, perangkat akhir secara akurat mengukur waktu kedatangan sinyal dari beberapa stasiun pangkalan. Menggunakan multilaterasi berdasarkan perbedaan waktu antara waktu penerimaan yang diamati, perangkat dapat menentukan posisinya ke stasiun pangkalan yang diamati secara lebih akurat daripada menggunakan Cell-ID yang ditingkatkan.

Kelas lain adalah tautan samping yang belum dieksploitasi dengan baik, teknologi 4G LTE yang melibatkan komunikasi perangkat-ke-perangkat yang memungkinkan perangkat untuk menentukan posisi mereka relatif satu sama lain. Kasus penggunaan yang jelas adalah komunikasi kendaraan-ke-kendaraan (V2V).

Alokasi spektrum baru 5G adalah kabar baik untuk penentuan posisi berbasis seluler, khususnya, karena ketersediaan bandwidth yang lebih besar yang terletak pada frekuensi yang lebih tinggi (mmWave di atas 24 GHz selain di bawah 6 GHz). Bandwidth yang lebih besar berarti bahwa waktu sinyal dapat diselesaikan dengan lebih akurat (ada hubungan terbalik antara waktu dan bandwidth), sehingga bandwidth yang lebih besar menawarkan peningkatan kemampuan untuk mengatasi efek multipath, sumber utama kesalahan dalam pengaturan perkotaan dan dalam ruangan yang berantakan karena sinyal yang bergerak berbeda jalur tiba pada waktu yang berbeda.

Perpindahan 5G ke frekuensi baru juga memengaruhi penyebaran geografis stasiun pangkalan seluler dan teknologi antena yang digunakan, sekali lagi menguntungkan pemosisian berbasis seluler. Karena mereka menimbulkan kerugian propagasi yang lebih tinggi, panjang gelombang yang lebih pendek memiliki jangkauan yang lebih sedikit daripada yang lebih panjang, yang berarti bahwa MNO perlu menggunakan lebih banyak stasiun pangkalan untuk mempertahankan jangkauan. Selain itu, pengenalan susunan antena dengan kemampuan beamforming akan membantu mengarahkan sinyal ke pengguna akhir. Kepadatan yang lebih tinggi dari antena yang mengetahui arah akan meningkatkan resolusi komponen multipath dengan mengukur penundaan, sudut kedatangan (AoA), dan sudut keberangkatan (AoD), meningkatkan kinerja pemosisian. Selain itu, dimungkinkan untuk melokalisasi perangkat menggunakan satu stasiun pangkalan.

Pemosisian Presisi Tinggi di Mana-mana Memerlukan Pendekatan Hibrida

Tidak ada pendekatan tunggal yang dapat secara andal memberikan akurasi yang dibutuhkan oleh kasus penggunaan target di semua kondisi lingkungan. Seperti yang telah kita lihat, sementara solusi berbasis GNSS saat ini mampu memberikan posisi akurasi tinggi dengan andal, mereka memiliki keterbatasan untuk aplikasi dalam ruangan. Di sisi lain, solusi pemosisian berbasis 5G dapat melengkapi dan memberikan perkiraan posisi yang akurat untuk skenario dalam dan luar ruangan.

Solusi hibrida yang secara optimal menggabungkan beberapa pendekatan seluler dengan yang non-seluler, seperti GNSS, sistem beacon terestrial (TBS), pengukuran berdasarkan Wi-Fi dan Bluetooth, dan pengukuran inersia (IMU), paling menjanjikan untuk mencapai tujuan ini. Redundansi tambahan memungkinkan peningkatan toleransi kesalahan dan peningkatan integritas solusi keseluruhan, memberikan ukuran kepercayaan kuantitatif untuk mengikuti setiap estimasi posisi.

Menyadari janji solusi pemosisian hibrida untuk mengaktifkan aplikasi baru, ruang lingkup studi 3GPP mencakup GNSS dan sinyal satelit, serta sinyal terestrial seperti Wi-Fi dan Bluetooth, dan banyak lagi. Solusi yang dihasilkan, yang muncul dari item studi 3GPP, menargetkan pengenalan spesifikasi radio untuk Rilis 16 – Q1 2020.

Tantangan yang Ditetapkan untuk 3GPP

3GPP telah menetapkan tujuan yang ambisius, dengan Rilis 16 dijadwalkan untuk H1, 2020. Menerapkan solusi penentuan posisi berbasis seluler di atas lanskap sinyal 5G yang beragam akan menjadi upaya yang kompleks, karena akan mendorong penyebaran infrastruktur yang tepat waktu untuk memungkinkan cakupan yang cukup luas untuk menarik basis pengguna yang cukup besar.

Seperti yang telah kita lihat, pendekatan pemosisian hibrida akan sangat penting dalam memenuhi kebutuhan ketat dari aplikasi yang muncul, khususnya karena ekspektasi untuk pemosisian akurasi tinggi di mana-mana, setiap saat, menjadi norma. Ini pasti akan membutuhkan perwakilan dari teknologi yang berbeda – baik itu GNSS, seluler, jarak pendek, komunikasi satelit, atau lainnya – untuk bekerja sama untuk menghasilkan hasil yang lebih baik daripada jumlah bagian penyusunnya.

Posisi unik u-blox di industri, sebagai penyedia terkemuka GNSS, nirkabel jarak pendek, dan teknologi seluler, membuat munculnya pendekatan pemosisian 5G, khususnya, yang menggabungkan teknologi, sangat menarik. Pemosisian hibrida dibangun di atas konvergensi kompetensi inti kami, dan kami melihat potensi besar untuk inovasi, tingkat kinerja baru, dan kasus penggunaan baru. Saat kami berkontribusi untuk mempercepat penyatuan dunia yang berbeda ini untuk memberikan solusi yang lebih baik dan lebih komprehensif, mau tak mau kami menantikan hasilnya.

Artikel ini ditulis bersama oleh David Bartlett, Senior Principal Engineer, Product Center Positioning di u-blox.

Referensi

• 1) Layanan FCC 911 dan E911
• 2) Ringkasan Perundang-undangan Uni Eropa:Layanan telekomunikasi yang terjangkau - hak pengguna
• 3) Berdasarkan “Evolusi Teknik Pemosisian di Jaringan Seluler, dari 2G ke 4G,” Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE adalah kependekan dari User Equipment
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Laporan teknis, Proyek Kemitraan Generasi ke-3; Kelompok Spesifikasi Teknis Aspek Layanan dan Sistem; Studi tentang kasus penggunaan pemosisian; Tahap 1, (Rilis 16)
• 7) Pemosisian presisi tinggi untuk Cooperative-ITS (HIGHTS), Hasil proyek D2.1:Kasus penggunaan dan Persyaratan Aplikasi (1 Mei 2015)
• 8) Laporan tentang Kebutuhan dan Persyaratan Pengguna Jalan, Hasil Platform Konsultasi PENGGUNA GNSS Eropa, Badan Sistem Satelit Navigasi Global Eropa (GSA) (18 Oktober 2018)
• 9) Tonggak arsitektur sistem 5G Fase 1 tercapai, 3GPP, (21 Desember 2017)
• 10) Ponsel 5G teratas:setiap ponsel 5G diumumkan dan masih akan hadir di tahun 2019
• 11) AT&T Menyebutkan 99 Pasar Evolusi 5G Baru
• 12) Kepala operator berkomitmen untuk 'Hari 5G Korea'
• 13) Buku Putih tentang Metode Pelokalan Baru untuk Sistem Nirkabel 5G dan Internet-of-Things, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troel; Fleury, Bernard Henri

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.