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深度解析 3GPP TR 21.918：9.2 Expanded and improved NR positioning (扩展和改进的NR定位)

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好的，我们继续解读TR 21.918的后续章节。

深度解析 3GPP TR 21.918：9.2 Expanded and improved NR positioning (扩展和改进的NR定位)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.918 V18.0.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“9.2 Expanded and improved NR positioning”的核心章节，旨在为读者深度剖析5G-Advanced在无线空口（RAN）层面，为实现“厘米级”定位和“全场景”覆盖所引入的一系列革命性技术。

在上一篇文章中，我们跟随高博士的视角，从系统架构层面探讨了5G定位服务（LCS）的第三阶段演进，见证了用户面信令、PRU等新机制的引入。今天，我们将把显微镜进一步聚焦，深入到无线空口的物理层和协议层，看看5G NR本身为了实现这些宏伟目标，究竟修炼了哪些“内功心法”。

如果说9.1章节是为高精度定位搭建了“骨架”，那么9.2章节就是为其注入了“血肉”和“灵魂”。本章内容技术密度极高，是整个Rel-18定位增强的核心与基石。

今天，我们的主角，是一家领先通信芯片公司的物理层算法工程师，苏工。他所在的团队，正在为下一代5G芯片设计和实现Rel-18定义的全新定位功能。他的任务，就是将规范中那些抽象的公式和流程，转化为芯片中实实在在的电路和代码。让我们跟随苏工的开发日志，一同解码NR定位的“黑科技”。

1. 定位能力的“新维度”：Sidelink定位

苏工接到的第一个，也是最具挑战性的任务，就是实现Sidelink（SL）定位。在传统的蜂窝定位中，UE的位置是相对于网络侧的固定基站（gNB）来测量的。然而，在车联网（V2X）、公共安全、工业物联网等场景下，终端之间（UE-to-UE）的相对位置，往往比它们各自的绝对位置更为重要。

The expansion of the scope of NR positioning involved support of Sidelink (SL) positioning for which the initial target scenarios, targeting V2X, public safety, IIoT, and commercial use-cases… were identified… for in-coverage, partial-coverage, and out-of-coverage NR positioning use-cases.

Rel-18正式将定位能力从Uu接口（UE与网络）扩展到了PC5接口（UE与UE），实现了全场景覆盖：

  • In-Coverage（网络内）: 车辆在城市道路行驶，由网络辅助进行高精度相对定位。
  • Partial-Coverage（部分覆盖）: 救援队在山区边缘作业，部分队员有网络信号，部分没有，他们之间依然可以进行相对定位。
  • Out-of-Coverage（网络外）: 两辆矿车在没有蜂窝覆盖的矿井深处，可以自主进行防撞测距。

1.1 新的“灯塔”：SL PRS参考信号

为了在Sidelink上进行精确的距离和角度测量，必须有一个专用的、设计优良的参考信号。

Sidelink Positioning A new SL reference signal, SL PRS, has been introduced to support SL positioning and ranging… Transmission of SL PRS via unicast, broadcast, and groupcast modes are supported.

苏工需要为他的芯片增加对**SL PRS（Sidelink Positioning Reference Signal）**的收发能力。

  • 设计精巧: SL PRS的设计借鉴了下行DL PRS，采用了梳状（comb-based）的频域结构，具有良好的抗多径和抗干扰性能。
  • 传输灵活: 它可以以广播、组播或单播的方式发送，满足了从“广而告之”的位置信标，到“点对点”精确测距的各种需求。
  • 资源池化: SL PRS的传输资源被划分在专用的**“SL PRS资源池”中，分为专用（dedicated）和共享（shared）**两种。专用资源池只传输SL PRS和相关的控制信令，干扰更小，适合高精度、高可靠性的定位。

1.2 丰富的“测量尺”：Sidelink定位方法

有了SL PRS这个“灯塔”，苏工还需要实现一系列新的“测量尺”，来解读灯塔发出的信号。

Different SL positioning methods have been introduced to support SL positioning and ranging. These include: (i) SL-RTT (Round Trip Time)… (ii) SL-AoA (Angle of Arrival), (iii) SL-TDOA (Time Difference of Arrival)… (iv) SL-TOA (Time Of Arrival)…

  • SL-RTT（往返时间）: UE-A向UE-B发送一个SL PRS，UE-B立即回复。UE-A通过测量这个“一去一回”的时间，可以精确计算出两者间的距离。这是最基础的测距方法。
  • SL-TDOA/TOA（到达时间差/到达时间）: 当多个UE（Anchors）同时接收来自一个目标UE的SL PRS时，通过比较信号到达各个Anchor的时间差（TDOA），或者利用精准同步的时钟测量绝对到达时间（TOA），就可以解算出目标UE的位置。这与传统的基站定位原理类似，只是“基站”变成了移动的UE。
  • SL-AoA（到达角）: 如果接收端UE配备了天线阵列，它还可以测量SL PRS信号的到达角度，从而获得目标相对于自身的方位信息。

通过组合这些方法，Sidelink定位可以实现丰富的应用，从简单的“两车间距”，到复杂的“我在你的东北方30米处”。

2. 迈向“厘米级”：NR载波相位定位

苏工的下一个挑战，是攻克5G定位的“圣杯”——厘米级精度。传统的基于信号到达时间的测量，其精度受限于信号带宽，通常在米级。要突破这一瓶颈，必须利用一个更精细的物理量——载波相位。

NR Carrier Phase Positioning Inspired by the support of GNSS carrier phase positioning… NR CPP (Carrier Phase Positioning) has been introduced to enable support of cm-level positioning accuracy that can be utilized in both outdoor and indoor applications.

NR CPP借鉴了高精度GNSS RTK（实时动态）定位的原理，通过测量载波相位的微小变化，来实现对距离的超高精度测量。

  • 新的测量值: 苏工需要在芯片中增加对两种新测量值的计算和上报能力：
    • DL RSCP (Reference Signal Carrier Phase): 测量下行参考信号（PRS）到达UE时的载波相位。
    • UL RSCP (Uplink Reference Signal Carrier Phase): 网络侧（gNB）测量上行参考信号（SRS for positioning）到达时的载波相位。
  • 双差分技术（Double-Differential）: 单纯测量相位会受到收发两端时钟漂移等因素的影响，无法直接使用。NR CPP的核心是双差分技术。这需要引入一个位置已知的参考点，也就是我们在9.1章节中提到的PRU（定位参考单元）。通过同时比较“目标UE-gNB”和“PRU-gNB”两条路径上的相位测量值，以及不同卫星/基站之间的相位差，可以神奇地消除掉所有时钟误差和大部分大气延迟误差，最终解算出厘米级的相对位置。

Accordingly, Release 18 has introduced signalling support to enable the following: (i) Simultaneous measurements of DL PRS at a target UE and a PRU within indicated time window(s). (ii) Configuration of SRS transmissions from a target UE and a PRU within indicated time window(s).

为了实现双差分，网络必须确保目标UE和PRU在同一时刻进行测量或发送。Rel-18为此专门设计了新的信令，允许LMF调度UE和PRU在同一个“时间窗口”内协同工作。

3. “积少成多”：带宽聚合定位

信号带宽越大，时间分辨率越高，测距精度也越高。然而，单个5G载波的带宽是有限的。为了追求更高的精度，Rel-18引入了**带宽聚合（Bandwidth Aggregation）**定位技术。

Bandwidth Aggregation for DL PRS and SRS for positioning To enable high accuracy positioning, bandwidth aggregation for DL PRS and SRS for positioning have been introduced whereby DL PRS and SRS for positioning, respectively, are aggregated across intra-band contiguous carriers…

  • 虚拟大带宽: UE可以被配置为同时在多个相邻的载波上接收DL PRS或发送SRS for positioning。苏工的芯片需要能够将这些在不同载波上收集到的测量信息，在信号处理层面“拼接”起来，形成一个等效的、更宽的“虚拟带宽”。
  • 精度提升: 例如，将3个20MHz的载波聚合起来，就可以获得等效于60MHz带宽的测量分辨率，从而将测距精度提升数倍。
  • 更精细的报告: 为了支持带宽聚合带来的更高精度，规范还增强了时间测量值的报告粒度，引入了更小的报告单位，让UE能够上报更精确的测量结果。

4. 极致省电与高精度的融合：LPHAP与RedCap定位增强

高精度定位通常意味着高功耗，这对于电池供电的物联网设备来说是难以接受的。为了解决这一矛盾，Rel-18为LPHAP（低功耗高精度定位）和RedCap设备，量身定制了一系列节能定位增强。

Low Power High Accuracy Positioning (LPHAP) To support LPHAP, multiple enhancements have been introduced in Release 18, including: (i) enhancement of SRS for positioning configurations in RRC_INACTIVE state… (ii) introduction of (e)DRX cycles longer than 10.24 seconds in RRC_INACTIVE state…

  • Inactive态下的定位: 允许UE在低功耗的RRC_INACTIVE状态下，周期性地发送上行定位信号（SRS for positioning）。UE可以在一个由多个小区组成的“SRS有效区域”内移动，而无需重新配置SRS，大大减少了信令开销。
  • IDLE态下的测量: 允许UE在功耗最低的RRC_IDLE状态下，对下行定位信号（DL PRS）进行测量。它可以在后台默默地收集测量数据，直到下一次进入连接态时，再将结果“打包”上报给网络。
  • DRX与定位的对齐: 网络的DL PRS发送周期，可以与UE的eDRX周期进行对齐。这意味着，UE只在自己醒来监听寻呼的那个短暂时刻，顺便进行一次定位测量，从而实现了“一次唤醒，两份工作”，最大限度地节省了电力。

Positioning for RedCap UEs …enhancements in Release 18 involving reception of DL PRS with Rx (receiver) frequency hopping and transmission of SRS for positioning with Tx (transmitter) frequency hopping to enable measurements spanning a wider bandwidth than maximum UE bandwidth for RedCap…

  • 跳频定位: 对于基带带宽受限的RedCap UE（如eRedCap只有5MHz处理能力），Rel-18引入了跳频机制。UE可以在一个宽带信道（如100MHz）的不同频点上，分多次进行测量，然后将测量结果“拼接”起来，从而以“小马拉大车”的方式，实现了远超其自身处理能力的宽带测量，获得了更高的定位精度。

总结

3GPP TR 21.918的9.2章节，是5G-Advanced定位技术演进的集大成者。它从无线空口的底层物理层和协议层出发，为5G定位能力带来了四大革命性的突破：

  1. 维度的扩展：通过引入Sidelink定位，将定位能力从网络中心化的Uu接口，扩展到了设备之间去中心化的PC5接口，实现了全场景覆盖。
  2. 精度的飞跃：通过引入NR载波相位定位（CPP）和带宽聚合，5G定位的理论精度首次迈入了“厘米级”门槛，打开了与专业RTK技术同台竞技的大门。
  3. 能效的融合：通过为LPHAP和RedCap设备量身定制的Inactive/IDLE态定位和跳频机制，成功地在高精度与低功耗之间找到了完美的平衡点。
  4. 可靠性的保障：本章还引入了**定位完整性（Positioning integrity）**的概念（在本文中未展开），通过误差建模，让网络不仅能提供位置，还能提供该位置的“可信度”，这对于自动驾驶等安全关键应用至关重要。

对于苏工这样的芯片工程师而言，9.2章节无疑是一份充满挑战与机遇的“藏宝图”。这些新技术的实现，将极大地提升其公司芯片产品的核心竞争力。对于整个产业而言，一个超高精度、无处不在、低功耗、高可靠的5G定位新时代，正呼之欲出。

FAQ - 常见问题解答

Q1：Sidelink定位与蓝牙、UWB等近场定位技术相比，有什么优势和劣势？ A1：优势在于：1）作用距离更远：Sidelink基于蜂窝通信技术，有效距离可达数百米，远超蓝牙（几十米）和UWB（十几米）。2）更好的移动性支持：专为高速移动场景（如V2X）设计，具有优秀的多普勒补偿和信道跟踪能力。3）与蜂窝网络融合：可以与蜂窝网络协同工作（In-Coverage模式），由网络进行统一的资源调度和定位解算，精度和可靠性更高。劣势在于：1）精度上限：在不使用载波相位的情况下，其精度通常在米级，而UWB可以轻松达到厘米级。2）功耗和成本：Sidelink通信模组通常比蓝牙和UWB更复杂，成本和功耗也相对较高。

Q2：NR载波相位定位（CPP）听起来和GNSS RTK很像，它能完全替代RTK吗？ A2：它在原理上与GNSS RTK非常相似，都是利用载波相位进行高精度差分定位，但短期内不能完全替代RTK，两者更多是互补关系。优势：NR CPP可以覆盖GNSS信号无法到达的区域，如室内、隧道、城市峡谷，这是其最大的价值。挑战：1）覆盖与几何构型：要实现高精度三维定位，需要同时“看到”来自不同角度的多个基站（gNB）和参考点（PRU），这在网络部署初期难以保证。2）参考站网络：RTK的成功依赖于遍布全球的CORS参考站网络，5G要达到类似的覆盖密度，还需要很长时间。3.）大气延迟模型：GNSS有成熟的电离层/对流层延迟模型，而5G CPP在这方面的研究还在初级阶段。因此，未来最可能的模式是5G CPP与GNSS RTK的紧耦合融合定位。

Q3：什么是定位完整性（Positioning Integrity）？为什么它对自动驾驶等应用很重要？ A3：定位完整性是衡量定位系统可靠性的一个关键指标。它不仅提供一个位置坐标，还会提供一个“保护级别”（Protection Level）和一个“告警时间”（Time-to-Alert）。例如，一个定位系统报告：“车辆当前位置在(X,Y)，我有99.9999%的把握保证，真实位置与报告位置的误差在1米之内（保护级别）；如果误差超出了这个范围，我会在100毫秒内向你发出告警（告警时间）”。对于自动驾驶、飞机着陆等安全关键（Safety-Critical）应用，一个“错误但自信”的定位结果是致命的。定位完整性提供的，正是一种对定位结果“风险”的量化评估和承诺，这是做出安全决策的基础。

Q4：RedCap UE的“跳频定位”具体是如何工作的？ A4：这是一种巧妙的“时分复用”测量方法。假设网络带宽是100MHz，而RedCap UE的处理能力只有20MHz。网络可以配置UE：1）在第一个时间段，在信道中心频率+40MHz的位置，接收一段20MHz带宽的PRS信号；2）在第二个时间段，切换到中心频率+20MHz的位置，再接收一段20MHz的PRS；3）如此往复5次，将整个100MHz的带宽“扫描”一遍。然后，UE或网络侧的LMF可以将这5次测量的结果，通过信号处理算法进行“合成”，从而获得一个等效于在100MHz带宽下进行一次测量的精度。这使得低成本的RedCap设备也能享受到宽带定位带来的精度优势。

Q5：这些先进的定位技术对基站的硬件有什么特殊要求吗？ A5：对基站硬件提出了一些新的要求，主要是时间和相位的同步精度。1）高精度时钟同步：为了支持TDOA和CPP等多站协同定位，所有参与定位的基站之间必须实现纳秒级的时间同步。这通常需要部署支持PTP（精确时间协议）等高精度同步协议的传输网络。2）相位同步：对于CPP，不仅要求时间同步，还要求不同基站天线端口之间的载波相位也保持稳定或已知关系。这需要更先进的射频硬件和校准技术。3）多通道接收：为了支持UL-TDOA和UL-AoA，基站需要配备能够同时、同步地接收和处理来自多个天线信号的接收机（eLCS-TRP）。这些要求正在推动基站硬件向更高精度、更集成化的方向发展。

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