2023年5G低功耗高精度定位芯片研究报告

课题编号：2022-01-C-002 5G低功耗高精度定位芯片研究 2023年4月 研究报告要点 本研究报告主要是5G低功耗高精度定位芯片的研究。空间定位在物联网时代是一种基础能力，基于精准的定位数据才能实现各种物联网应用，而5G通信技术为高精度定位的实现提供了契机。5G通信以高速率、低时延、大量连接等为特征，其关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等。基于AOA、DL-TDOA和UL-TDOA、小区ID或E-CID等已知技术的定位方法在5G将会具有更高的精度。现有的各种卫星定位和通讯定位技术，都存在一定的短板和盲区，而相比之下5G定位技术最大的优势就在于具备室内室外一张网以及通讯定位一张网的能力。面向丰富的5G定位应用场景需求，包括石油化工、工业制造、物流仓储、公检法、地下作业、建筑施工等，5G高精度定位技术应运而生。当前3GPP在RAN第96次会议上宣布5GR17标准冻结，其中包括对于定位功能的进一步增强，定位精度目标从室内3米、室外10米提升到到了亚米级，定位的时延要求小于100ms。这标志着3GPP进一步拉开了面向工业物联网的5G持续演进增强、深度耦合蜂窝通信与定位的宏大序幕，凸显了工业物联网对于5G定位技术巨大商业需求及前景。 5G低功耗高精度定位芯片和目前仍没有相关的国家或行业标准，以及相应的研究报告。5G定位在各行业应用场景对于高精度低功耗芯片和有着功能和性能的要求，包括支持频段、射频指标、定位方法、精度、带宽、功耗等，因此应对芯片和的设计方法以及各方面技术指标加以研究。 研究单位：北京智联安科技有限公司研究人员：5G定位产业工作子组成员完成日期：2023年4月 目录 目录I 1芯片功能及技术指标1 1.1.概述1 1.2.定位芯片的功能和性能要求1 1.2.1.各应用场景定位需求2 1.2.2.定位芯片的功能和性能要求5 1.3.各定位技术芯片的现状分析6 1.3.1.GNSS6 1.3.2.WI-FI7 1.3.3.蓝牙8 1.3.4.UWB8 1.3.5.5G9 1.3.6.小结11 1.4.5G定位芯片的设计方向12 1.4.1.定位技术选择12 1.4.1.1.DL-TDOA12 1.4.1.2.DL-AOD13 1.4.1.3.UL-TDOA13 1.4.1.4.UL-AOA13 1.4.1.5.MULTI-RTT14 1.4.1.6.E-CID14 1.4.1.7.小结15 1.4.2.定位信号带宽15 1.4.3.定位流程简化16 1.4.4.电路架构优化18 1.5.5G定位芯片的参考规格18 1.5.1.定位精度18 1.5.2.支持频段18 1.5.3.发射功率19 1.5.4.功耗19 1.5.5.电气性能（耐受电压、电流）19 1.5.6.工作和储存温度20 2芯片测试及验证方法20 2.1.概述20 2.2.测试需求20 2.3.测试环境20 2.3.1.实验室测试网络部署20 2.3.2.被测终端基本要求21 2.3.3.测试卡要求21 2.4.设备仪表21 2.4.1.定位系统的基站和核心网21 2.4.2.协议一致性、射频一致性、功耗测试仪表21 2.4.3.高低温试验箱21 2.5.基本功能测试方法22 2.5.1.系统接入与注册22 2.5.2.安全模式23 2.6.定位功能测试方法25 2.6.1.定位系统的基站和核心网25 5G低功耗高精度定位芯片研究 1芯片功能及技术指标 1.1.概述 空间定位在物联网时代是一种基础能力，基于精准的定位数据才能实现各种物联网应用，而5G通信技术为高精度定位的实现提供了契机。5G通信以高速率、低时延、大量连接等为特征，其关键技术包括大规模天线阵列、超密集组网、新型多址、全频谱接入和新型网络架构等。基AOA、DL-TDOA和UL-TDOA、小区ID或E-CID等已知技术的定位方法在5G将会具有更高的精度。现有的各种卫星定位和通讯定位技术，都存在一定的短板和盲区，而相比之下5G定位技术最大的优势就在于具备室内室外一张网以及通讯定位一张网的能力。面向丰富的5G定位应用场景需求，包括石油化工、工业制造、物流仓储、公检法、地下作业、建筑施工等，5G高精度定位技术应运而生。当前3GPP在RAN第96次会议上宣布5GR17标准冻结，其中包括对于定位功能的进一步增强，定位精度目标从室内3米、室外10米提升到到了亚米级，定位的时延要求小于100ms。这标志着3GPP进一步拉开了面向工业物联网的5G持续演进增强、深度耦合蜂窝通信与定位的宏大序幕，凸显了工业物联网对于5G定位技术巨大商业需求及前景。 5G低功耗高精度定位芯片和目前仍没有相关的国家或行业标准，以及相应的研究报告。5G定位在各行业应用场景对于高精度低功耗芯片和有着功能和性能的要求，包括支持频段、射频指标、定位方法、精度、带宽、功耗等，因此应对芯片和的设计方法以及各方面技术指标加以研究。 1.2.定位芯片的功能和性能要求 各个定位应用场景对于定位终端应实现的功能和性能有着不同的要求，相关的标准组织对于此也制订出规范加以定义，因而终端所使用的5G定位芯片对于不同场景也需要满足一定的功能和性能的要求，包括定位精度、工作时长、衰落环境、终端形态尺寸、部署运营方式、成本等。研究分析如下： 1 1.2.1.各应用场景定位需求 智慧商超： 商超领域，利用位置信息提高消费者购物体验，产品推送及运用位置数据优化运营，主要特点是定位终端在消费者侧，需要要求定位终端具有通用性、成本低的特点，同时其对定位精度要求1~3米，可以定位到车位或者商超区域。 智能制造 智能制造领域，位置信息主要用来提升生产效率及供应链管理以此提高产品质量。智能制造对定位精度具有较高要求，需要10~30cm定位精度。定位终端通常为卡片式或腕带式，主要面向设备和企业员工，可以定制，但功耗尽量低。单车间内约100个定位终端。终端基于定位频率1Hz和400~600mA电池，工作时长需达到1~4周。 仓储物流 在仓储物流作业场景中，位置信息主要用来提升仓储秩序与物资流转效率，对定位精度具有较高要求，定位标签要求体积小、功耗小。工作人员定位采用卡片式或腕带的方式，AGV和叉车则通过内置的模块进行定位。定位腕带的频次通常为1Hz，工作时间需要支持1~4周。AGV和部分叉车可提供车载供电，部分为无源设备。电池供电场景下定位终端在定位频率1~5Hz的情况下工作时间需要支持1个月以上。 石油化工、能源电力 在石油化工、能源电力行业的作业场景中，位置信息主要用来保证人员的安全及巡检管理，对定位精度要求较高，定位终端要求便携式。园区定位场景中，终端形态通常为工卡、门卡、安全帽、手持巡检终端等。工卡定位频率约1~3Hz，定位频率建议支持可配置。定位工卡的工作时间需要支持12个月以上，1~3个月为最低要求。门卡、安全帽、手持巡检终端为进入生产装置内使用，不会携带出园区，工作时间建议支持至少1个月。 交通枢纽 交通枢纽主要用于个人的导航、出行指引，同时使用人流人力图分析客流量，总体对定位精度要求不高，3~5米定位精度可以满足需求，同时主要面向个人提供服务，定位终端要求普遍适用性。 医疗养老 室内定位技术在医院中主要用来进行人员管理及救生医疗器械快速定位，定位精度要求米级，较适合采用定位标签的外部使能方式，为人员佩戴定位标签、为医疗器械装配定位标签，对定位终端要求功耗低、便于携带。 公检法司 室内定位技术在公检法司系统主要发挥人员监管的作用，解决警力紧张、工作压力大且无法全局监控的难点。要求定位终端便携、功耗低。精准定位模式下定位精度误差为不大于0.5m。终端形态通常为在押人员的定位腕带、警察使用的胸卡、智能终端，以及针对重要物品采用的微型标签。定位腕带定位频率为1~5Hz，一次充电应需支持工作时长不少于12个月。警察胸卡定位频率为1~5Hz，工作时间要求至少1~3个月。重要物品的微型标签至少工作时间不少于12个月。 博物展览 室内定位技术在博物展览等大型活动场所主要用于安防智能化和提升参观者体验，在该场景中定位终端类型分两种：安保人员、贵重展品等佩戴定位标签；而对于参观者则使用自带终端智能设备。定位精度要求亚米级别，考虑到需要利用参观者个人终端进行导航导览服务，定位终端要求通用、成本低。 矿井隧道、地下管廊 在矿井、隧道、地下管廊等场景下，主要是基于人的定位，精度要求基本1~3米，终端要求通用性、功耗低等，便于携带。通常采用带可充电电池的定位卡，定位卡可选择采用与矿灯一体化的方式。胶轮车、电机车以及各类设备采用带可充电电池的可固定的小盒子方式。考虑定位卡管理的便利性，按定位频率1Hz，每次充电后定位卡的工作时长应不低于6个月。终端模组价格期望在十几元~几十元之间。 小结 各种行业应用场景中，主要分为对人的定位和对物的定位。在ToB场景下，比如智能制造、仓储物理、电力能源、公检法司等场景，主要是面向物的定位，提供AGV导航、资产追踪管理、电子围栏等服务，定位终端通常考虑为专用标签，这些场景下的业务需要为了特定客户和场景部署不同定制应用，定位业务主动权在网络侧，同时定位终端考虑低成本、低功耗。ToC场景下，比如博物展览、智慧商超、交通枢纽等，主要面向人的定位，提供室内导航、导览业务等服务， 3 同时这些场景下的业务需要普适业务，定位业务考虑定位主动权在用户侧，尊重和保护个人隐私。总结各个行业应用场景下的定位需求如下； 表1-1：各应用场景的定位需求 行业领域 应用场景 定位精度 成本接受度 终端形态 功耗要求 定位模式 智慧商超 商品推送 米级 低 手机 无附加要求 主动模式 定位导航 米级 手机 无附加要求 主动模式 反向寻车 米级 手机 无附加要求 主动模式 客流分析 3~5米 手机 无附加要求 被动模式 智能制造 人员管理 3~5米 高 手机 无附加要求 被动模式 物料管理 <1米 定制 低 被动模式 工具管理 <1米 定制 低 被动模式 仓储物流 人员考勤 1~3米 中 定制 无附加要求 被动模式 物品管理 <1米 定制 低 被动模式 车辆调度 1~3米 定制 无附加要求 被动模式 自动AGV <1米 定制 无附加要求 被动模式 电力能源 人员考勤 1~3米 中低 定制 无附加要求 被动模式 电子围栏 <1米 定制 无附加要求 被动模式 工具监控 <1米 定制 低 被动模式 车辆管理 1~3米 定制 低 被动模式 交通枢纽 站内导航 1~3米 低 手机 无附加要求 主动模式 出行指引 3~5米 手机 无附加要求 主动模式 热力分析 3~5米 手机 无附加要求 主动模式 医疗养老 医护人员 3~5米 中 定制 无附加要求 被动模式 医疗设备 1~3米 定制 低 被动模式 病人定位 1~3米 定制 低 被动模式 新生儿 1~3米 定制 低 被动模式 公检法司 人员定位 1~3米 中 定制 低 被动模式 车辆管理 1~3米 定制 无附加要求 被动模式 博物展览 安保管理 3~5米 中 定制 低 被动模式 展品定位 <1米 定制 低 被动模式 展馆导览 3~5米 手机 无附加要求 主动模式 矿井隧道、地下管廊 考勤管理 1~3米 中 定制 无附加要求 被动模式 电子围栏 <1米 定制 无附加要求 被动模式 紧急求助 1~3米 定制 低 被动模式 1.2.2.定位芯片的功能和性能要求 根据3GPPRel-16定义，5G定位能力必须满足的最低要求为，对于80％的终端，水平定位精度优于50米，垂直定位精度优于5米，端到端时延低于30秒。对于要求严苛的商业用例，5G定位能力至少需满足，（1）对于80％的终端，水平定位精度优于3米（室内）和10米（室外）。（2）对于80％的终端，垂直定位 精度优于3米（室内和室外）。（3）端到端时延小于1秒。 3GPPRel-17标准在第96次全会上宣布冻结，其中定义了增强的精准定位特性，即Rel-17在Rel-