5G 네트워크는 어떻게 위치 인식을 향상시킬 수 있습니까?

3GPP 릴리스 16은 고정밀 위치 서비스를 더 저렴하고 안정적으로 만들겠다는 약속을 담고 있습니다. 다양한 비 셀룰러 기술과 결합하여 새로운 신호 속성을 활용하면 하이브리드 포지셔닝의 형태를 구현할 수 있습니다.

3GPP 릴리스 16은 고정밀 위치 서비스를 더 저렴하고 안정적으로 만들겠다는 약속을 담고 있습니다. 다양한 비 셀룰러 기술과 결합하여 새로운 신호 속성을 활용하면 하이브리드 포지셔닝 형태를 구현할 수 있습니다.

당신은 당신의 GPS를 신뢰합니까? 맹목적으로 따를 준비가 되셨습니까? 우리는 거의 그렇게 생각하지 않지만 스마트 폰이나 자동차의 GNSS (Global Navigation Satellite Systems) 수신기에서 읽는 위치는 통계적 양입니다. 주어진 확률(예:50%)로 표시된 위치에서 정의된 거리(예:1미터) 내에 있음을 알려줍니다. 궁극적으로, 제공된 정보와 관련시키는 방법은 장치가 제공하는 출력에 얼마나 신뢰를 두느냐에 달려 있습니다.

글로벌 항법 위성 시스템(GNSS)

GNSS는 오랫동안 사용자 장치의 정확한 위치 추정을 위한 고유한 소스였습니다. 그러나 응용 프로그램이 보다 광범위하고 다양하며 안전이 중요해짐에 따라 판독값의 신뢰성을 정량화하는 방법을 이해하고 GNSS를 사용할 수 없을 때 대체할 입력 소스를 확보하는 것이 성공의 가장 중요한 요소가 되었습니다.

물론 GNSS가 위치 정보의 유일한 사용 가능한 소스는 아닙니다. 셀룰러 모뎀이 있는 장치는 셀룰러 신호를 사용하여 대략적인 위치를 결정할 수 있습니다. u-blox와 같은 시장의 주요 업체는 위치 서비스 범위를 확장하기 위해 GNSS와 셀룰러 신호를 결합한 셀룰러 통신 모듈에서 셀룰러 신호 기반 및 하이브리드 포지셔닝 솔루션을 오랫동안 제공했습니다.

이제 5G 기술 구성에서 종종 간과되는 구성 요소인 5G 포지셔닝이 업계 주도의 3GPP(3세대 파트너십 프로젝트)에 의해 개발되고 표준화되고 있습니다. 통신 표준 개발을 전담하는 7개 조직과 수백 개의 기업 회원으로 구성된 이 기구는 다양한 산업 분야의 요구 사항을 염두에 두고 차세대 셀룰러 통신 기술의 구성 요소로서 5G 포지셔닝 개발을 추진하고 있습니다.

간략한 뒤돌아보기

포지셔닝은 처음부터 셀룰러 통신을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 했습니다. 처음에는 수신 전화를 수신자의 최종 장치로 라우팅하기 위해 모바일 네트워크 사업자는 특정 시간에 최종 사용자가 연결된 특정 셀룰러 ​​기지국을 알아야 했습니다.

1999년 미국 규제 당국이 긴급 서비스를 가능하게 하기 위해 고정밀 위치 추정에 대한 요구 사항을 제정하면서 상황이 바뀌었고, 이에 따라 셀룰러 기술을 기반으로 한 1세대 전용 위치 서비스가 탄생했습니다. ¹ EU는 2002년에 미국의 사례를 따랐습니다. ² 그 이후로 위치 서비스의 범위는 주로 업계 요구에 의해 주도되고 3GPP에 의해 표준화된 셀룰러 기술의 각 세대와 함께 확장되었습니다.

결과적으로 오늘날의 4G LTE 네트워크는 모바일 네트워크 사업자가 다양한 정확도로 각 사용자의 위치를 ​​결정할 수 있는 광범위한 접근 방식을 제공합니다. 이러한 접근 방식은 고정 및 모바일 네트워크 인프라의 다양한 조합과 위성 위치 확인과 같은 외부 소스를 활용합니다.

다음 표에는 주요 4G LTE 위치 서비스가 요약되어 있습니다. ³

표 1. 주요 4G LTE 위치 서비스

새로운 사용 사례 및 요구 사항

위치 기반 서비스의 주요 동인은 규제 당국의 요구였지만 오늘날 하드웨어 및 장비 제조업체, 우주 기관, 모바일 네트워크 운영자를 포함한 여러 공공 및 민간 기업은 셀룰러 위치 서비스를 통해 더 높은 정확도와 정밀도를 제공하기 위해 노력하고 있습니다. 상업적으로 동기가 부여된 새로운 세대의 위치 기반 서비스를 가능하게 합니다.

이러한 응용 프로그램은 크게 네트워크 및 외부 응용 프로그램이 개체의 위치를 ​​추적하기 위해 위치를 얻는 UE-Assisted와 UE가 탐색 및 안내를 위해 자신의 위치를 ​​계산하는 UE 기반으로 분류됩니다. . ⁴

동시에 사물 인터넷(IoT)이 경제 및 사회 생활의 모든 측면에 침투하면서 위치 확인 기술의 적용 범위와 신뢰성에 대한 기대가 높아지고 있습니다. 오늘날 우리는 거의 모든 곳에서 고속 인터넷에 액세스할 수 있을 것으로 기대하지만 고정밀 측위에서도 마찬가지일 것입니다.

결과적으로 3GPP 및 기타 표준화 기관은 향후 릴리스에서 셀룰러 포지셔닝을 위한 애플리케이션 공간 및 성능 요구 사항을 새롭게 검토하고 있습니다. 개선된 고정밀 포지셔닝 서비스의 이점을 얻을 수 있는 사용 사례는 산업, 자산 추적, 자동차, 교통 관리, 스마트 도시, 공유 자전거, 병원, UAV, 공공 서비스, 증강 현실(AR), 소비자 및 소비자를 포함하여 광범위합니다. 전문 웨어러블.

전반적으로 5G 기술은 각각의 특정 사용 사례의 요구 사항에 따라 절대 및 상대 위치를 모두 제공하는 다양한 셀룰러 기반 및 하이브리드 위치 확인 서비스를 제공하는 것을 목표로 합니다. 결정적으로 위치 정보는 판독값에 배치할 수 있는 신뢰도의 척도와 함께 전달되어야 합니다. 아직 완전히 정의되고 합의되지 않은 주요 요구 사항은 수평 및 수직 정확도, 상대 정확도(근처 장치 간), 최초 수정 시간, 속도 정확도, 전력 소비, 대기 시간, 운영 및 보안 관련 속성입니다. . ⁵

다음에서는 특히 수직 산업에서 세 가지 사용 사례가 부과하는 요구 사항을 살펴보겠습니다. (i) UAV 임무 및 운영, (ii) IIoT 추적 애플리케이션, (iii) 자율 차량 탐색. 처음 두 사용 사례에 대해 인용된 값은 3GPP TR 22.872 기술 보고서에서 가져왔습니다. ⁶ 광범위한 특정 애플리케이션으로 구성된 자동차 사용 사례는 추가 참조 자료에서 가져왔습니다. ^7,8

그림 1. 3개의 선택된 업종에서 새로운 5G 포지셔닝 사용 사례에 대한 요구 사항.

신세대 GNSS 수신기가 포지셔닝을 변경하는 방법

지난 몇 년 동안 위성 기반 측위는 급속한 발전을 거듭해 왔습니다. 위성 항법의 초기에 GNSS 수신기는 위치를 결정하기 위해 미국 GPS 또는 러시아 GLONASS 시스템과 같은 궤도를 도는 위성의 단일 별자리에 의존해야 했습니다. 이제 유럽 갈릴레오 및 중국 Beidou 시스템과 함께 더 많은 운영 시스템이 있으며 원래 두 시스템에 여러 지역 증강 시스템이 추가되었습니다. 오늘날 u-blox F9 수신기 세대와 같이 궤도를 도는 모든 GNSS 성좌에서 신호를 동시에 수신할 수 있는 다중 성좌 GNSS 수신기가 표준이 되고 있습니다. 결과적으로 수신기는 도시(또는 실제) 협곡과 같이 하늘의 많은 부분이 차단된 경우에도 더 많은 수의 위성을 "볼" 수 있어 정확도가 향상되고 위치 수정을 달성하는 시간이 단축됩니다.

초기에 GNSS 수신기는 위치를 추정하기 위해 단일 주파수 대역에서 전송된 위성 신호를 사용했습니다. 위치 오차의 주요 원인 중 하나는 위성 신호가 하전된 전리층을 횡단할 때 속도가 느려질 때 발생합니다. 이 지연은 주파수 제곱의 역수에 비례하므로 추가 주파수 대역의 신호를 사용하면 전리층 오류를 결정하고 수정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 최신 세대의 이중 대역 GNSS 수신기는 표준 코드 기반 위치 지정을 사용하여 탁 트인 하늘 조건에서 평균 위치 오류를 약 2.5m에서 1m 미만으로 낮췄습니다.

GNSS 포지셔닝의 품질은 상용 GNSS 보정 서비스로부터 오랫동안 혜택을 받아 왔습니다. GNSS 보정 서비스 제공업체는 일반적으로 위치를 정확히 알고 있는 기지국 네트워크를 사용하여 수신 GNSS 신호를 모니터링하고 유료로 최종 사용자에게 맞춤형 보정 정보를 전송합니다. 코드 기반 위치 지정의 경우 이를 차동 수정이라고 합니다.

고정밀 반송파 위상 추적 RTK(실시간 운동학) 방법을 사용할 때 가까운 기준 수신기에서 얻은 보정을 통해 센티미터 수준의 위치를 ​​얻을 수 있습니다. 오늘날, 새로운 세대의 GNSS 보정 서비스가 만들어지고 있습니다. 이 서비스는 대체 접근 방식을 취하여 전체 지리적 영역에 대해 GNSS 코드 및 반송파 위상 보정 데이터를 방송합니다. 인터넷이나 위성을 통해 한 국가 또는 전체 대륙.

센티미터 수준의 정확도를 달성하기 위한 새로운 GNSS 보정 체계와 다중 성상도 및 다중 대역 수신기의 결합은 모두 소유 비용을 크게 절감하면서 센티미터 수준의 고정밀 위치 지정을 위한 새로운 유형의 대중 시장 애플리케이션을 위한 길을 열어주고 있습니다. .

그렇긴 하지만 GNSS는 두 가지 단점을 계속 가지고 있습니다. 수신기는 위치를 결정하기 위해 궤도를 도는 위성의 시야 내에 이상적으로 있어야 합니다. 실내 및 터널에서는 서비스가 저하되거나 사용할 수 없습니다. 그리고 가장 좋은 경우에는 GNSS 수신기가 콜드 스타트에서 처음으로 위치를 명확하게 결정하는 데 몇 초가 걸립니다. 주로 자동차 애플리케이션에 맞춤화된 관성 센서로 구동되는 추측 항법 솔루션은 GNSS 신호의 도달 범위를 넘어 고정밀 포지셔닝의 범위를 크게 확장합니다. 보조 GNSS(A-GNSS)는 GNSS 신호 자체를 통하는 것보다 GNSS 궤도 및 클록 데이터를 검색하는 더 빠른 방법을 제공하여 첫 번째 수정 시간을 단축합니다.

5G가 셀룰러 기반 포지셔닝에 대한 새로운 개선을 가져올 방법

Release 15의 3GPP에 의해 정의된 차세대 셀룰러 기술인 5G New Radio는 이미 만들어지고 있습니다. ⁹ 일부 지역의 최종 사용자는 빠르면 2019년 상반기에 4G LTE를 기반으로 하는 비 독립 실행형 아키텍처에 액세스할 수 있게 되며, Samsung과 Verizon, LG와 Sprint, Huawei가 2019년 초에 5G 스마트폰을 출시하고 Apple이 뒤를 따를 것으로 예상됩니다. 2020. ¹⁰ 이는 독립형 5G의 배포로 이어집니다.

여러 모바일 네트워크 사업자는 이미 도심에서 시작하여 5G 네트워크 구축을 공개적으로 발표했습니다. 미국이 선두를 달리고 있습니다. AT&T는 2018년에 출시를 시작했으며 2019년까지 계속될 예정이며 올해 중반에 전국적인 서비스를 제공하는 것을 목표로 합니다. ¹¹ 두 번째로 경쟁에 뛰어든 한국에서는 통신사들이 2019년 3월 5G 상용화를 공동으로 발표했습니다. ¹² 영국에서 Vodafone은 2020년에 이 기술을 출시할 계획을 발표했습니다. 그러나 고정밀 포지셔닝 서비스는 2019년 말 릴리스 16이 될 때까지 3GPP 5G NR 사양의 일부가 되지 않으며, 2020년에 가장 빨리 배포될 예정입니다.

5G의 원동력은 다양합니다. 새로운 애플리케이션으로 인해 셀룰러 네트워크 성능의 안정성, 가용성, 적용 범위 및 대기 시간 측면에서 요구 사항이 높아졌습니다. 모바일 네트워크 사업자는 산업 분야에서 새로운 수익원을 구축하기 위해 5G를 찾고 있습니다. 칩셋 공급업체는 5G에서 지적 재산권 라이선스를 통해 수익을 높일 수 있는 기회를 보고 있습니다. 그리고 사용자는 그들이 요구했던 더 높은 데이터 속도를 얻게 될 것입니다.

5G 셀룰러 통신 기술은 eMBB, uRLLC 및 mMTC의 세 가지 주요 사용 시나리오를 통해 이러한 다양한 요구 사항을 해결합니다. 이에 대해서는 아래에서 간략히 설명합니다.

<울>

eMBB(Enhanced Mobile Broadband)는 셀룰러 통신 전용 스펙트럼을 더 빠른 속도로 데이터를 전송하는 훨씬 더 높은 주파수로 확장합니다.

URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communications)는 자율주행 차량 및 V2X(Vehicle-to-Everything) 애플리케이션과 같은 새로운 기회를 창출합니다.

mMTC(massive Machine Type Communications)는 저전력 광역(LPWA) 통신에서 IoT 애플리케이션의 개발을 계속 발전시킬 것입니다.

이러한 시나리오에서 포지셔닝을 사용하려면 사용 가능한 기술의 범위를 확장하는 데 활용할 수 있는 새로운 신호와 새로운 인프라가 필요합니다. ¹³ 더 높은 주파수에서 더 큰 대역폭, 더 많은 안테나를 복잡한 안테나 어레이로 결합, 더 밀집된 통신 네트워크를 포함합니다. 목표는 야심적입니다. 15밀리초 미만의 짧은 대기 시간으로 서브미터 위치 정확도를 제공합니다.

더 큰 대역폭과 주파수를 제공하는 5G

3GPP는 현재 4G LTE 포지셔닝 방법을 5G에 도입하는 데 집중하고 있습니다. 일반적으로 이들은 업링크 및 다운링크 신호를 사용하여 개별 종단 장치의 위치를 ​​결정하여 앵커 포인트 역할을 하는 모바일 네트워크 안테나에 대한 상대적인 위치를 결정합니다. 향상된 Cell-ID 및 TDOA 기반 접근 방식이 그 예입니다.

향상된 Cell-ID에서 최종 장치는 여러 기지국에 대한 근접성을 모니터링하여 신호 강도와 장치에 대한 대략적인 전파 시간을 측정합니다. 이러한 관찰을 결합하면 가장 가까운 세포 중심만 측정하는 것보다 더 나은 장치 위치 추정치를 계산할 수 있습니다.

TDOA 기반 접근 방식에서 최종 장치는 여러 기지국에서 오는 신호의 도착 시간을 정확하게 측정합니다. 관측된 수신 시간 간의 시간차에 기반한 다중 측량을 사용하면 장치는 향상된 Cell-ID를 사용하는 것보다 관측된 기지국에 대한 자신의 위치를 ​​더 정확하게 결정할 수 있습니다.

또 다른 클래스는 장치가 서로에 대한 위치를 결정할 수 있도록 하는 장치 간 통신을 포함하는 4G LTE 기술인 아직까지 제대로 활용되지 않은 사이드링크입니다. 명백한 사용 사례는 차량 대 차량(V2V) 통신입니다.

5G의 새로운 스펙트럼 할당은 특히 더 높은 주파수(sub 6GHz에 추가하여 24GHz 이상의 mmWave)에 더 큰 대역폭을 사용할 수 있기 때문에 셀룰러 기반 위치 지정에 좋은 소식입니다. 더 큰 대역폭은 신호 시간이 더 정확하게 해석될 수 있다는 것을 의미하므로(시간과 대역폭 사이에는 반비례 관계가 있음), 더 큰 대역폭은 신호가 다른 방향으로 이동하기 때문에 복잡한 도시 및 실내 설정에서 오류의 주요 원인인 다중 경로 효과를 해결하는 향상된 기능을 제공합니다. 경로는 다른 시간에 도착합니다.

5G의 새로운 주파수로의 이동은 또한 셀룰러 기지국의 지리적 배치와 사용된 안테나 기술에 영향을 미치며 다시 셀룰러 기반 포지셔닝에 도움이 됩니다. 전파 손실이 더 크기 때문에 짧은 파장은 긴 파장보다 범위가 적습니다. 즉, MNO는 적용 범위를 유지하기 위해 더 많은 기지국을 배치해야 합니다. 또한 빔포밍 기능이 있는 안테나 어레이의 도입은 최종 사용자에게 신호를 보내는 데 도움이 될 것입니다. 지향성 인식 안테나의 밀도가 높으면 지연, 도달각(AoA) 및 이탈각(AoD)을 측정하여 다중 경로 구성요소의 분해능이 향상되어 위치 지정 성능이 향상됩니다. 또한 단일 기지국을 사용하여 장치를 현지화하는 것이 가능할 수도 있습니다.

유비쿼터스 고정밀 포지셔닝에는 하이브리드 접근 방식이 필요합니다

단일 접근 방식으로는 모든 환경 조건에서 대상 사용 사례에 필요한 정확도를 안정적으로 제공할 수 없습니다. 지금까지 살펴본 바와 같이 오늘날의 GNSS 기반 솔루션은 높은 정확도의 위치를 ​​안정적으로 제공할 수 있지만 실내 애플리케이션에는 한계가 있습니다. 반면에 5G 기반 포지셔닝 솔루션은 실내 및 실외 시나리오를 보완하고 정확한 위치 추정치를 제공할 수 있습니다.

GNSS, 지상파 비콘 시스템(TBS), Wi-Fi 및 Bluetooth 기반 측정, 관성 측정(IMU)과 같은 비셀룰러 접근 방식과 여러 셀룰러 접근 방식을 최적으로 결합하는 하이브리드 솔루션이 이러한 목표를 달성하는 데 가장 유망합니다. 추가 중복 기능을 통해 전체 솔루션의 내결함성과 무결성이 향상되어 각 위치 추정과 함께 사용할 수 있는 정량적 신뢰도를 제공합니다.

새로운 애플리케이션을 가능하게 하는 하이브리드 포지셔닝 솔루션의 가능성을 인식한 3GPP 연구 범위에는 GNSS 및 위성 신호는 물론 Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 지상파 신호가 포함됩니다. 3GPP 연구 항목에서 나온 결과 솔루션은 릴리스 16 – Q1 2020의 무선 사양 도입을 목표로 합니다.

3GPP의 도전 과제

3GPP는 릴리스 16이 2020년 상반기로 예정되어 있는 야심찬 목표를 자체적으로 설정했습니다. 5G의 다양한 신호 환경 위에 셀룰러 기반 포지셔닝 솔루션을 구현하는 것은 복잡한 노력이 될 것입니다. 충분히 큰 사용자 기반.

우리가 보았듯이 하이브리드 포지셔닝 접근 방식은 특히 항상 어디서나 높은 정확도의 포지셔닝에 대한 기대가 표준이 됨에 따라 새로운 애플리케이션의 엄격한 요구를 충족하는 데 중요합니다. 이를 위해서는 필연적으로 GNSS, 셀룰러, 단거리, 위성 통신 등 다양한 기술의 대표자들이 함께 협력하여 구성 요소의 합보다 더 나은 결과를 도출해야 합니다.

GNSS, 단거리 무선 및 셀룰러 기술의 선두 제공업체로서 업계에서 u-blox의 독특한 위치는 특히 기술을 결합하는 5G 포지셔닝 접근 방식의 출현을 흥미롭게 만듭니다. 하이브리드 포지셔닝은 핵심 역량의 수렴을 기반으로 하며 혁신, 새로운 수준의 성능 및 새로운 사용 사례에 대한 엄청난 잠재력을 보고 있습니다. 더 우수하고 포괄적인 솔루션을 제공하기 위해 서로 다른 세계가 한데 모이는 것을 촉진하는 데 기여하고 있으므로 결과를 기대하지 않을 수 없습니다.

이 기사는 u-blox의 제품 센터 포지셔닝 부문 수석 수석 엔지니어인 David Bartlett가 공동 저술했습니다.

참조

<울>

1) FCC 911 및 E911 서비스

2) EU 법률 요약:저렴한 통신 서비스 - 사용자의 권리

3) "2G에서 4G로의 셀룰러 네트워크 포지셔닝 기술의 진화" 기반, Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017

4) UE는 User Equipment의 약자입니다.

5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0(2018-09), 기술 보고서, 3세대 파트너십 프로젝트; 기술 사양 그룹 서비스 및 시스템 측면; 포지셔닝 활용 사례 연구 1단계, (릴리스 16)

7) Cooperative-ITS(HIGHTS)를 위한 고정밀 포지셔닝, 프로젝트 결과물 D2.1:사용 사례 및 애플리케이션 요구 사항(2015년 5월 1일)

8) 도로 사용자 요구 사항에 대한 보고서, 유럽 GNSS의 사용자 협의 플랫폼 결과, 유럽 GSA(Global Navigation Satellite Systems Agency)(2018년 10월 18일)

9) 5G 1단계 시스템 아키텍처 이정표 달성, 3GPP(2017년 12월 21일)

10) 상위 5G 휴대전화:모든 5G 휴대전화가 발표되었으며 2019년에도 출시될 예정입니다.

11) AT&T, 99개의 새로운 5G 진화 시장 지정

12) 통신사 책임자들이 'Korea 5G Day'에 동참

13) 5G 무선 시스템 및 사물 인터넷을 위한 새로운 현지화 방법에 관한 백서, COST Action CA15104, IRACON; 페데르센, 트로엘스; 플뢰리, 베르나르 앙리

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