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Comment les réseaux 5G amélioreront-ils la connaissance de la localisation ?

3GPP Release 16 tient la promesse de rendre les services de localisation de haute précision moins chers et plus fiables. L'exploitation de nouvelles propriétés de signal en combinaison avec une variété de technologies non cellulaires pourrait permettre des formes de positionnement hybride.

La version 16 du 3GPP promet de rendre les services de localisation de haute précision moins chers et plus fiables. L'exploitation de nouvelles propriétés de signal en combinaison avec une variété de technologies non cellulaires pourrait permettre des formes de positionnement hybride.

Faites-vous confiance à votre GPS ? Seriez-vous prêt à le suivre aveuglément ? Bien que nous le considérions rarement comme tel, une lecture de position du récepteur Global Navigation Satellite Systems (GNSS) de notre smartphone ou de notre voiture est une quantité statistique. Il vous indique qu'avec une probabilité donnée - disons 50% - vous êtes à une distance définie - disons 1 mètre - de la position indiquée. En fin de compte, votre relation avec les informations fournies dépend de la confiance que vous êtes prêt à accorder aux résultats fournis par votre appareil.

Systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS)

Le GNSS est depuis longtemps la source unique d'estimations de position précises pour les appareils des utilisateurs. Mais à mesure que les applications deviennent de plus en plus répandues, diversifiées et critiques pour la sécurité, comprendre comment quantifier la fiabilité des lectures et avoir d'autres sources d'entrée vers lesquelles se replier lorsque le GNSS n'est pas disponible sont devenus essentiels à leur succès.

Le GNSS n'est bien sûr pas la seule source disponible d'informations de position. Les appareils dotés d'un modem cellulaire peuvent déterminer leur position approximative à l'aide de signaux cellulaires. Des acteurs clés du marché, tels que u-blox, proposent depuis longtemps des solutions de positionnement hybrides et basées sur des signaux cellulaires dans leurs modules de communication cellulaire, ces derniers combinant des signaux GNSS et cellulaires, pour étendre la couverture des services de localisation.

Aujourd'hui, le positionnement 5G, un composant souvent négligé de la construction technologique 5G, est développé et standardisé par le 3GPP (projet de partenariat de troisième génération) piloté par l'industrie. Cet organisme, qui rassemble sept organisations dédiées à l'élaboration de normes de télécommunications et des centaines d'entreprises membres, encourage le développement du positionnement 5G en tant que composant de la technologie de communication cellulaire de nouvelle génération, en gardant à l'esprit les besoins des divers secteurs verticaux.

Un bref retour en arrière

Le positionnement a joué un rôle important dans la communication cellulaire depuis sa création. Au départ, il s'agissait d'un simple produit secondaire :pour acheminer les appels entrants vers l'appareil final du destinataire, les opérateurs de réseau mobile devaient savoir à quel moment précis les utilisateurs finaux de la station de base cellulaire étaient connectés.

Cela a changé en 1999, lorsque les autorités réglementaires américaines ont mis en place des exigences pour des estimations de position de haute précision pour permettre les services d'urgence, ce qui a conduit à la première génération de services de localisation dédiés basés sur la technologie cellulaire. 1 L'UE a suivi l'exemple des États-Unis en 2002. 2 Depuis lors, la gamme de services de localisation s'est élargie avec chaque génération successive de technologie cellulaire, principalement motivée par les demandes de l'industrie et normalisée par le 3GPP.

En conséquence, les réseaux 4G LTE d'aujourd'hui offrent aux opérateurs de réseaux mobiles un large éventail d'approches pour déterminer l'emplacement de chaque utilisateur avec divers degrés de précision. Ces approches tirent parti de diverses combinaisons d'infrastructures de réseaux fixes et mobiles, ainsi que de sources externes, telles que les satellites de positionnement.

Le tableau suivant présente les principaux services de localisation 4G LTE. 3

Tableau 1. Les principaux services de localisation 4G LTE

Nouveaux cas d'utilisation et demandes

Alors que le principal moteur des services basés sur la localisation a été les demandes des autorités de réglementation, aujourd'hui, plusieurs entreprises publiques et privées, y compris les fabricants de matériel et d'équipements, les agences spatiales et les opérateurs de réseaux mobiles, font pression pour fournir des services de localisation cellulaire plus précis et plus précis. pour permettre une nouvelle génération de services basés sur la localisation à motivation commerciale.

Ces applications sont généralement classées comme assistées par l'UE, dans lesquelles le réseau et l'application externe obtiennent la position afin de suivre la localisation de l'objet, et basées sur l'UE, dans lesquelles l'UE calcule sa propre position à des fins de navigation et de guidage. . 4

Dans le même temps, la pénétration de l'Internet des objets (IoT) dans toutes les facettes de notre économie et de nos vies sociales augmente les attentes concernant la couverture et la fiabilité de la technologie de positionnement. Alors qu'aujourd'hui, nous nous attendons à avoir accès à Internet haut débit à peu près partout, il en sera probablement de même pour le positionnement de haute précision.

En conséquence, le 3GPP et d'autres organismes de normalisation jettent un regard neuf sur l'espace d'application et les exigences de performances pour le positionnement cellulaire dans leurs prochaines versions. Les cas d'utilisation susceptibles de bénéficier de services de positionnement de haute précision améliorés sont très variés, notamment l'industrie, le suivi des actifs, l'automobile, la gestion du trafic, les villes intelligentes, les vélos partagés, les hôpitaux, les drones, les services publics, la réalité augmentée (AR) et les consommateurs et vêtements professionnels.

Dans l'ensemble, la technologie 5G vise à offrir une variété de services de positionnement cellulaires et hybrides offrant un positionnement absolu et relatif, en fonction des besoins de chaque cas d'utilisation spécifique. Les informations de position cruciales doivent être fournies avec une mesure de la confiance qui peut être accordée à la lecture. Les exigences clés qui n'ont pas encore été entièrement définies et convenues sont la précision horizontale et verticale, la précision relative (entre les appareils à proximité), le temps de première résolution, la précision de la vitesse, la consommation d'énergie, les latences, ainsi que les propriétés opérationnelles et liées à la sécurité . 5

Dans ce qui suit, nous examinerons les exigences imposées par trois cas d'utilisation en particulier dans les industries verticales :(i) missions et opérations d'UAV, (ii) applications de suivi IIoT et (iii) navigation de véhicule autonome. Les valeurs citées pour les deux premiers cas d'utilisation sont tirées du rapport technique 3GPP TR 22.872. 6 Ceux pour le cas d'utilisation automobile, qui comprend un large éventail d'applications spécifiques, sont tirés de références supplémentaires. 7,8

Figure 1. Exigences pour les nouveaux cas d'utilisation du positionnement 5G dans trois secteurs sélectionnés.

Comment la nouvelle génération de récepteurs GNSS modifie le positionnement

Au cours des dernières années, le positionnement par satellite a connu un développement rapide. Au début de la navigation par satellite, les récepteurs GNSS devaient s'appuyer sur une seule constellation de satellites en orbite, les systèmes GPS américain ou GLONASS russe, pour déterminer leur position. Il y a maintenant plus de systèmes opérationnels avec les systèmes européens Galileo et chinois Beidou et plusieurs systèmes d'augmentation régionaux ajoutés aux deux originaux. Aujourd'hui, les récepteurs GNSS multi-constellations qui peuvent recevoir simultanément des signaux de toutes les constellations GNSS en orbite, comme la génération de récepteurs u-blox F9, deviennent la norme. En conséquence, les récepteurs sont capables de « voir » un plus grand nombre de satellites, même lorsque de grandes parties du ciel sont obstruées, comme dans les canyons urbains (ou réels), améliorant ainsi la précision et réduisant le temps nécessaire pour obtenir une position.

Initialement, les récepteurs GNSS utilisaient des signaux satellites transmis sur une seule bande de fréquence pour estimer leur emplacement. L'une des principales sources d'erreur de position est provoquée lorsque les signaux satellites ralentissent lorsqu'ils traversent l'ionosphère chargée. Étant donné que ce retard est proportionnel à l'inverse de la fréquence au carré, l'utilisation de signaux provenant de bandes de fréquences supplémentaires peut aider à déterminer et à corriger l'erreur ionosphérique. La dernière génération de récepteurs GNSS double bande a réduit l'erreur de position moyenne d'environ 2,5 m à moins d'un mètre dans des conditions de ciel ouvert en utilisant un positionnement standard basé sur un code.

La qualité du positionnement GNSS a longtemps bénéficié des services commerciaux de correction GNSS. Les fournisseurs de services de correction GNSS surveillent généralement les signaux GNSS entrants à l'aide d'un réseau de stations de base avec des positions connues avec précision et transmettent des informations de correction personnalisées aux utilisateurs finaux moyennant des frais. Pour le positionnement basé sur le code, celles-ci sont appelées corrections différentielles.

Lors de l'utilisation de méthodes RTK (Real Time Kinematic) de suivi de phase de porteuse de haute précision, les corrections obtenues à partir d'un récepteur de référence à proximité permettent d'obtenir un positionnement centimétrique. Aujourd'hui, une nouvelle génération de services de correction GNSS est en préparation, qui adopte une approche alternative, diffusant des données de correction de code GNSS et de phase de porteuse pour une région géographique entière, par ex. un pays ou tout un continent, via Internet ou par satellite.

La combinaison de récepteurs multi-constellations et multi-bandes avec de nouveaux schémas de correction GNSS pour atteindre des précisions au centimètre, le tout à un coût de possession considérablement réduit, ouvre la voie à de nouveaux types d'applications grand public pour un positionnement de haute précision au centimètre. .

Cela dit, le GNSS continue de souffrir de deux inconvénients :les récepteurs doivent être idéalement dans la ligne de mire des satellites en orbite pour déterminer la position. A l'intérieur et dans les tunnels, les services sont dégradés voire indisponibles. Et, dans le meilleur des cas, il faut plusieurs secondes à un récepteur GNSS pour déterminer sans ambiguïté sa position pour la première fois à partir d'un démarrage à froid. Alimentées par des capteurs inertiels, les solutions d'estime, principalement adaptées aux applications automobiles, étendent considérablement la portée du positionnement de haute précision au-delà de la portée des signaux GNSS. Le GNSS assisté (A-GNSS) accélère le temps de première correction en offrant un moyen plus rapide de récupérer les données d'orbite et d'horloge GNSS que via les signaux GNSS eux-mêmes.

Comment la 5G apportera de nouvelles améliorations au positionnement cellulaire

La nouvelle radio 5G, la prochaine génération de technologie cellulaire définie par le 3GPP à partir de la version 15, est déjà en préparation. 9 Les utilisateurs finaux de certaines régions auront d'abord accès à l'architecture non autonome qui s'appuie sur la 4G LTE dès le premier semestre 2019, avec Samsung et Verizon, LG et Sprint, et Huawei lançant des smartphones 5G au début de 2019, et Apple devrait suivre dans 2020. 10 Cela sera suivi du déploiement de la 5G autonome.

Plusieurs opérateurs de réseaux mobiles ont déjà annoncé publiquement des déploiements de réseaux 5G, à commencer par les centres urbains. Les États-Unis sont en tête du peloton. AT&T a commencé ses déploiements en 2018 et se poursuivra jusqu'en 2019, avec pour objectif d'offrir une couverture nationale en milieu d'année. 11 En Corée, deuxième pays à entrer dans la course, les opérateurs de télécommunications ont conjointement annoncé leur intention de déployer la 5G en mars 2019. 12 Au Royaume-Uni, Vodafone a annoncé son intention de commencer à déployer la technologie en 2020. Cependant, les services de positionnement de haute précision ne feront pas partie des spécifications 3GPP 5G NR avant la version 16 vers la fin de 2019, avec un déploiement suivant en 2020 au plus tôt.

Les forces motrices de la 5G sont diverses. De nouvelles applications apportent des exigences accrues en termes de fiabilité, de disponibilité, de couverture et de latence des performances du réseau cellulaire. Les opérateurs de réseaux mobiles se tournent vers la 5G pour créer de nouvelles sources de revenus à partir des secteurs verticaux de l'industrie. Les fournisseurs de chipsets voient dans la 5G une opportunité d'augmenter leurs revenus en concédant des licences de droits de propriété intellectuelle. Et les utilisateurs obtiendront les débits de données plus élevés qu'ils demandent.

La technologie de communication cellulaire 5G répond à ces diverses exigences à travers trois scénarios d'utilisation clés :eMBB, uRLLC et mMTC, que nous décrivons brièvement ci-dessous.

Permettre le positionnement dans ces scénarios nécessite de nouveaux signaux et une nouvelle infrastructure qui peuvent être exploités pour élargir la gamme des techniques disponibles, 13 y compris des bandes passantes plus larges à des fréquences plus élevées, plus d'antennes combinées dans des réseaux d'antennes complexes et des réseaux de télécommunications plus denses. Les objectifs sont ambitieux :une précision de position inférieure au mètre fournie avec une faible latence inférieure à 15 millisecondes.

La 5G offre des bandes passantes et des fréquences plus importantes

Le 3GPP se concentre actuellement sur l'intégration d'un éventail de méthodes de positionnement 4G LTE dans la 5G. En règle générale, ceux-ci utilisent des signaux de liaison montante et descendante pour déterminer la position des terminaux individuels afin de déterminer leur position par rapport aux antennes du réseau mobile, qui servent de points d'ancrage. Les exemples sont des approches améliorées basées sur Cell-ID et TDOA.

Dans Cell-ID amélioré, les terminaux surveillent leur proximité avec plusieurs stations de base, mesurant la force du signal et le temps de propagation approximatif vers l'appareil. En combinant ces observations, une meilleure estimation de la position de l'appareil peut être calculée que la simple mesure du seul centre de cellule le plus proche.

Dans les approches basées sur TDOA, le terminal mesure avec précision les temps d'arrivée des signaux provenant de plusieurs stations de base. En utilisant la multilatération basée sur les différences de temps entre les heures de réception observées, l'appareil peut déterminer sa position par rapport aux stations de base observées plus précisément qu'en utilisant Cell-ID amélioré.

Une autre classe est la liaison latérale encore mal exploitée, une technologie 4G LTE impliquant une communication d'appareil à appareil qui peut permettre aux appareils de déterminer leurs positions les uns par rapport aux autres. Un cas d'utilisation évident est la communication de véhicule à véhicule (V2V).

La nouvelle allocation de spectre de la 5G est une bonne nouvelle pour le positionnement cellulaire, en particulier en raison de la disponibilité de bandes passantes plus larges situées à des fréquences plus élevées (mmWave au-dessus de 24 GHz en plus de moins de 6 GHz). Une bande passante plus large signifie que le temps du signal peut être résolu avec plus de précision (il existe une relation inverse entre le temps et la bande passante), donc des bandes passantes plus larges offrent une meilleure capacité à résoudre les effets de trajets multiples, la principale source d'erreur dans les environnements urbains et intérieurs encombrés car les signaux qui voyagent différemment les chemins arrivent à des moments différents.

Le passage de la 5G à de nouvelles fréquences affecte également le déploiement géographique des stations de base cellulaires et les technologies d'antenne utilisées, profitant à nouveau au positionnement cellulaire. Parce qu'elles subissent des pertes de propagation plus élevées, les longueurs d'onde plus courtes ont moins de portée que les plus longues, ce qui signifie que les ORM devront déployer plus de stations de base pour maintenir la couverture. En outre, l'introduction de réseaux d'antennes dotés de capacités de formation de faisceaux aidera à diriger les signaux vers les utilisateurs finaux. Une densité plus élevée d'antennes directionnelles améliorera la résolution des composants à trajets multiples en mesurant le retard, l'angle d'arrivée (AoA) et l'angle de départ (AoD), améliorant ainsi les performances de positionnement. De plus, il peut devenir possible de localiser les appareils à l'aide d'une seule station de base.

Le positionnement de haute précision omniprésent nécessitera des approches hybrides

Aucune approche unique ne sera en mesure de fournir de manière fiable la précision requise par les cas d'utilisation cibles dans toutes les conditions environnementales. Comme nous l'avons vu, alors que les solutions GNSS d'aujourd'hui sont capables de fournir de manière fiable des positions de haute précision, elles ont des limites pour les applications intérieures. D'autre part, les solutions de positionnement basées sur la 5G peuvent compléter et fournir des estimations de position précises pour les scénarios intérieurs et extérieurs.

Les solutions hybrides qui combinent de manière optimale plusieurs approches cellulaires avec des approches non cellulaires, telles que le GNSS, les systèmes de balises terrestres (TBS), les mesures basées sur Wi-Fi et Bluetooth et les mesures inertielles (IMU), sont les plus prometteuses pour atteindre ces objectifs. Les redondances supplémentaires permettent une tolérance aux pannes accrue et une intégrité améliorée de la solution globale, fournissant une mesure quantitative de confiance pour accompagner chaque estimation de position.

Reconnaissant la promesse des solutions de positionnement hybrides pour permettre de nouvelles applications, la portée de l'étude 3GPP comprend les signaux GNSS et satellite, ainsi que les signaux terrestres tels que Wi-Fi et Bluetooth, et plus encore. Les solutions résultantes, issues de l'élément d'étude 3GPP, visent l'introduction dans les spécifications radio pour la version 16 - Q1 2020.

Défis pour le 3GPP

Le 3GPP s'est fixé des objectifs ambitieux, la version 16 étant prévue pour le premier semestre 2020. La mise en œuvre de solutions de positionnement cellulaires en plus du paysage de signaux diversifié de la 5G sera une entreprise complexe, tout comme encouragera le déploiement rapide de l'infrastructure pour permettre une couverture suffisamment large pour attirer une base d'utilisateurs suffisamment large.

Comme nous l'avons vu, les approches de positionnement hybrides seront cruciales pour répondre aux besoins stricts des applications émergentes, en particulier alors que l'attente d'un positionnement de haute précision partout, tout le temps, devient la norme. Cela nécessitera inévitablement que des représentants de différentes technologies - qu'il s'agisse de communications GNSS, cellulaires, à courte portée, par satellite ou autres - travaillent ensemble pour produire un résultat meilleur que la somme de ses éléments constitutifs.

La position unique d'u-blox dans l'industrie, en tant que fournisseur leader de technologies GNSS, sans fil à courte portée et cellulaire, rend l'avènement des approches de positionnement 5G, en particulier celles combinant des technologies, particulièrement passionnante. Le positionnement hybride s'appuie sur la convergence de nos compétences de base, et nous voyons un énorme potentiel d'innovation, de nouveaux niveaux de performance et de nouveaux cas d'utilisation. Alors que nous contribuons à accélérer le rapprochement de ces différents mondes pour fournir une solution meilleure et plus complète, nous ne pouvons qu'attendre le résultat avec impatience.

Cet article a été co-écrit par David Bartlett, ingénieur principal senior, Product Center Positioning chez u-blox.

Références

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