Comment la 5G Release 16 va révolutionner la précision de localisation

La Release 16 3GPP promet des services de localisation haute précision plus abordables et fiables en exploitant de nouvelles caractéristiques de signal et en intégrant diverses technologies non cellulaires, ouvrant la voie au positionnement hybride.

Quand nous appuyons sur une coordonnée GPS sur notre téléphone, nous obtenons une estimation statistique. Cette valeur représente une probabilité — souvent 50 % — que l'appareil se trouve dans un rayon spécifique, comme 1 mètre, de la position rapportée. La confiance qu'on accorde à ce chiffre dépend de la façon dont les données sous-jacentes sont générées et vérifiées.

Systèmes mondiaux de navigation par satellite (GNSS)

Le GNSS a longtemps été la référence pour le positionnement précis, mais l'appétit croissant pour des applications critiques de sécurité et haute précision exige des métriques de confiance robustes et des options de repli quand les signaux satellites faiblissent.

Les modems cellulaires fournissent déjà un positionnement grossier par triangulation des signaux cellulaires. Des fabricants leaders comme u-blox ont proposé des modules hybrides combinant GNSS et données cellulaires pour étendre la couverture et la fiabilité.

Le positionnement 5G — un aspect souvent négligé de l'écosystème 5G — est maintenant standardisé par le 3GPP piloté par l'industrie. Cette organisation, qui unit sept organismes techniques et des centaines de membres corporate, oriente le positionnement 5G vers les besoins de divers secteurs verticaux.

Un bref regard en arrière

Le positionnement est intégral aux réseaux cellulaires depuis le début, utilisé à l'origine pour router les appels vers la bonne station de base. Les exigences réglementaires pour les services d'urgence en 1999 et dans l'UE en 2002 ont accéléré l'évolution des services de localisation cellulaire, une progression que le 3GPP a continuellement affinée.

L'infrastructure 4G LTE d'aujourd'hui offre une suite de méthodes de localisation — cell-ID, cell-ID amélioré, TDOA, et plus — chacune avec précision et couverture variables. Le tableau accompagnant (voir Figure 1) résume ces techniques.

Tableau 1. Principaux services de localisation 4G LTE

Nouveaux cas d'usage et exigences

Au-delà des mandats réglementaires, une cohorte croissante de fabricants matériels, agences spatiales et opérateurs exige une précision sub-métrique pour permettre les services de prochaine génération. Les applications vont des véhicules autonomes et UAV aux villes intelligentes, wearables et RA.

La 5G promet un mélange de positionnement absolu et relatif, chacun accompagné d'un niveau de confiance quantifié. Les indicateurs clés de performance — précision horizontale/verticale, précision relative, time-to-first-fix, précision de vélocité, consommation d'énergie, latence et sécurité — sont encore affinés dans la Release 16.

La Figure 1 illustre les cibles de précision strictes pour trois verticaux — missions UAV, suivi IIoT et navigation véhicules autonomes — s'appuyant sur 3GPP TR 22.872 et études connexes.

Figure 1. Exigences pour les cas d'usage émergents du positionnement 5G dans trois verticaux sélectionnés.

Comment la nouvelle génération de récepteurs GNSS change le positionnement

Les récepteurs GNSS modernes exploitent maintenant plusieurs constellations — GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou — et, dans de nombreux cas, des systèmes d'augmentation régionaux. Les dispositifs multi-constellation, multi-bande (ex: u-blox F9) peuvent acquérir plus de satellites, même dans les canyons urbains, améliorant à la fois la précision et le time-to-fix.

Les récepteurs bi-bande atténuent les délais ionosphériques en exploitant la diversité de fréquence, réduisant les erreurs moyennes de ~2,5 m à moins de 1 m en conditions ciel ouvert. Les services de correction commerciaux, incluant différentiel et RTK, poussent encore la précision vers le niveau centimétrique.

Les schémas de correction basés sur la diffusion émergents visent à délivrer des données haute précision sur des régions entières via Internet ou satellite, réduisant les coûts tout en maintenant la précision.

Le GNSS peine encore en intérieur et dans les tunnels et souffre d'un délai de démarrage à froid de plusieurs secondes. L'A-GNSS (Assisted GNSS) et les systèmes de navigation inertielle (INS) peuvent combler ces lacunes, particulièrement dans les contextes automobiles.

Comment la 5G apportera de nouvelles améliorations au positionnement cellulaire

La 5G New Radio, définie dans la Release 15 3GPP, est déjà déployée en configurations non-autonome et autonome dans le monde. Bien que les premiers déploiements 5G commerciaux aient commencé en 2019, les standards de positionnement haute précision seront introduits dans la Release 16, prévue fin 2019 avec déploiement 2020.

Les opérateurs voient la 5G comme un moteur de revenus sur trois scénarios cœur : eMBB (bande large mobile améliorée), uRLLC (communications ultra-fiables à faible latence) et mMTC (communications massives de type machine). Chaque scénario exige une précision plus serrée, une latence plus faible et une fiabilité plus élevée.

• eMBB : fréquences plus hautes et bandes passantes plus larges délivrent des données plus rapides.
• uRLLC : critique pour véhicules autonomes et applications V2X.
• mMTC : soutient l'écosystème IoT croissant.

Le positionnement cellulaire exploitera les signaux uplink et downlink, cell-ID amélioré, TDOA et potentiellement techniques sidelink device-to-device. Les bandes passantes plus larges de la 5G, surtout dans les bandes mmWave au-dessus de 24 GHz, affinent la résolution temporelle et atténuent les interférences multi-trajets.

Le déploiement à plus haute fréquence mène à des réseaux de stations de base plus denses et des réseaux d'antennes avancés avec beamforming, améliorant les mesures de délai, d'angle d'arrivée et de départ. Dans certains cas, une seule station de base peut suffire pour une localisation précise.

Le positionnement haute précision ubiquitaire nécessitera des approches hybrides

Aucune technologie unique ne peut garantir la précision stricte requise dans tous les environnements. Le GNSS excelle en extérieur mais faiblit en intérieur ; la 5G brille dans les deux contextes. Les solutions hybrides fusionnant GNSS, cellulaire, Wi-Fi, Bluetooth, balises terrestres et données inertielles fournissent la redondance et l'intégrité nécessaires pour un positionnement à haute confiance.

Le périmètre d'étude du 3GPP inclut explicitement GNSS, signaux terrestres et sans fil à courte portée, ciblant les spécifications Release 16 pour Q1 2020.

Défis fixés pour le 3GPP

Fournir du positionnement cellulaire dans le paysage de signaux divers de la 5G demande une intégration complexe et un déploiement d'infrastructure rapide. L'industrie doit collaborer à travers les domaines GNSS, cellulaire, satellite et courte portée pour produire des solutions qui surpassent la somme de leurs parties.

L'expertise d'u-blox en GNSS, sans fil courte portée et technologies cellulaires la positionne de façon unique pour accélérer le positionnement hybride 5G, favorisant l'innovation et débloquant de nouvelles applications.

Cet article a été co-écrit par David Bartlett, Ingénieur Principal Senior, Centre Produit Positionnement chez u-blox.

Références

• 1) FCC 911 et services E911
• 2) Résumés législation UE : Services télécommunications abordables – droits des utilisateurs
• 3) « Évolution des techniques de positionnement dans les réseaux cellulaires, de la 2G à la 4G », Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE signifie User Equipment
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Rapport technique, 3rd Generation Partnership Project
• 7) Positionnement haute précision pour Cooperative-ITS (HIGHTS), Livrable D2.1
• 8) Rapport sur les besoins utilisateurs routiers, Plateforme consultation utilisateurs GNSS européen, GSA (18 oct 2018)
• 9) Jalonne architecture système 5G Phase 1 atteint, 3GPP (21 déc 2017)
• 10) Top téléphones 5G : tous annoncés et à venir en 2019
• 11) AT&T nomme 99 nouveaux marchés 5G Evolution
• 12) Dirigeants opérateurs s'engagent pour « Korea 5G Day »
• 13) Livre blanc sur nouvelles méthodes localisation pour systèmes 5G et IoT, COST Action CA15104, IRACON

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