Como as redes 5G melhorarão a detecção de local?

3GPP Versão 16 promete tornar os serviços de localização de alta precisão mais baratos e mais confiáveis. Explorar novas propriedades de sinal em combinação com uma variedade de tecnologias não celulares pode permitir formas de posicionamento híbrido.

O 3GPP Release 16 promete tornar os serviços de localização de alta precisão mais baratos e confiáveis. Explorar novas propriedades de sinal em combinação com uma variedade de tecnologias não celulares pode permitir formas de posicionamento híbrido.

Você confia no seu GPS? Você estaria preparado para segui-lo cegamente? Embora raramente pensemos nisso como tal, uma leitura de posição do receptor Global Navigation Satellite Systems (GNSS) em nosso smartphone ou em nosso carro é uma quantidade estatística. Ele informa que com uma determinada probabilidade - digamos 50% - você está dentro de uma distância definida - digamos 1 metro - da posição indicada. Em última análise, como você se relaciona com as informações fornecidas depende de quanta fé você está disposto a colocar na saída que seu dispositivo fornece.

Sistemas Globais de Navegação por Satélite (GNSS)

O GNSS tem sido a única fonte de estimativas precisas de posição para dispositivos de usuários. Mas, à medida que os aplicativos se tornam mais difundidos, diversificados e essenciais para a segurança, entender como quantificar a confiabilidade das leituras e ter fontes alternativas de entrada para recorrer quando o GNSS não está disponível tornou-se fundamental para seu sucesso.

Obviamente, o GNSS não é a única fonte disponível de informações de posição. Dispositivos com modem celular podem determinar sua posição aproximada usando sinais de celular. Os principais participantes do mercado, como o u-blox, há muito oferecem soluções de posicionamento híbrido e baseadas em sinal de celular em seus módulos de comunicação celular, este último combinando GNSS e sinais de celular, para expandir a cobertura dos serviços de localização.

Agora, o posicionamento 5G, um componente frequentemente esquecido da construção da tecnologia 5G, está sendo desenvolvido e padronizado pelo 3GPP (Projeto de Parceria de Terceira Geração) voltado para a indústria. Este órgão, que reúne sete organizações dedicadas ao desenvolvimento de padrões de telecomunicações e centenas de membros corporativos, está promovendo o desenvolvimento do posicionamento 5G como um componente da tecnologia de comunicação celular de última geração, com as necessidades de diversos setores verticais em mente.

Uma breve retrospectiva

O posicionamento tem desempenhado um papel importante ao permitir a comunicação celular desde o seu início. Inicialmente, era um mero produto secundário:para rotear as chamadas recebidas para o dispositivo final do destinatário, as operadoras de rede móvel precisavam saber a qual estação base de celular específica os usuários finais estavam conectados a qualquer momento.

Isso mudou em 1999, quando as autoridades regulatórias dos EUA estabeleceram requisitos para estimativas de posição de alta precisão para habilitar serviços de emergência, o que levou à primeira geração de serviços de localização dedicados baseados em tecnologia celular. ¹ A UE seguiu o exemplo dos EUA em 2002. ² Desde então, a gama de serviços de localização tem se expandido com cada geração sucessiva de tecnologia celular, impulsionada principalmente pelas demandas da indústria e padronizada pelo 3GPP.

Como resultado, as redes 4G LTE atuais oferecem às operadoras de rede móvel uma ampla gama de abordagens para determinar a localização de cada usuário com vários graus de precisão. Essas abordagens tiram proveito de várias combinações de infraestrutura de rede fixa e móvel, bem como de fontes externas, como satélites de posicionamento.

A tabela a seguir descreve os principais serviços de localização 4G LTE. ³



Tabela 1. Os principais serviços de localização 4G LTE

Novos casos de uso e demandas

Embora o principal motivador para serviços baseados em localização tenha sido demandas de autoridades regulatórias, hoje, várias empresas públicas e privadas, incluindo fabricantes de hardware e equipamentos, agências espaciais e operadoras de rede móvel estão pressionando para a entrega de maior exatidão e precisão por serviços de localização de celular para permitir uma nova geração de serviços baseados em localização com motivação comercial.

Essas aplicações são amplamente categorizadas como UE-Assisted, em que a rede e a aplicação externa obtêm a posição a fim de rastrear o paradeiro do objeto, e baseadas em UE, em que o UE calcula sua própria posição para fins de navegação e orientação . ⁴

Ao mesmo tempo, a penetração da Internet das Coisas (IoT) em todas as facetas de nossa economia e vida social está aumentando as expectativas sobre a cobertura e a confiabilidade da tecnologia de posicionamento. Enquanto hoje esperamos ter acesso à Internet de alta velocidade em quase todos os lugares, o mesmo provavelmente acontecerá com o posicionamento de alta precisão.

Como resultado, o 3GPP e outros organismos de padronização estão dando uma nova olhada no espaço de aplicativos e requisitos de desempenho para posicionamento de celular em seus próximos lançamentos. Os casos de uso que podem se beneficiar de serviços de posicionamento de alta precisão aprimorados são abrangentes, incluindo indústria, rastreamento de ativos, automotivo, gestão de tráfego, cidades inteligentes, bicicletas compartilhadas, hospitais, UAVs, serviços públicos, realidade aumentada (AR) e consumidor e wearables profissionais.

No geral, a tecnologia 5G visa oferecer uma variedade de serviços de posicionamento híbridos e baseados em celular, fornecendo posicionamento absoluto e relativo, dependendo das necessidades de cada caso de uso específico. As informações de posição crucial devem ser fornecidas com uma medida da confiança que pode ser colocada na leitura. Os principais requisitos que ainda precisam ser totalmente definidos e acordados são precisão horizontal e vertical, precisão relativa (entre dispositivos próximos), tempo para a primeira correção, precisão de velocidade, consumo de energia, latências, bem como propriedades operacionais e relacionadas à segurança . ⁵

A seguir, daremos uma olhada nas demandas impostas por três casos de uso em particular nas indústrias verticais:(i) missões e operações de UAV, (ii) aplicações de rastreamento IIoT e (iii) navegação de veículo autônomo. Os valores citados para os dois primeiros casos de uso foram extraídos do relatório técnico 3GPP TR 22.872. ⁶ Aqueles para o caso de uso automotivo, que compreende uma ampla gama de aplicações específicas, são extraídos de referências adicionais. ^7,8

Figura 1. Requisitos para casos de uso emergentes de posicionamento 5G em três setores selecionados.

Como a nova geração de receptores GNSS está mudando de posição

Nos últimos anos, o posicionamento por satélite tem passado por um rápido desenvolvimento. Nos primeiros dias da navegação por satélite, os receptores GNSS tinham que contar com uma única constelação de satélites em órbita, os sistemas US GPS ou russo GLONASS, para determinar sua posição. Agora há mais sistemas operacionais com os sistemas europeu Galileo e chinês Beidou e vários sistemas regionais de aumento adicionados aos dois originais. Hoje, os receptores GNSS com várias constelações que podem receber sinais simultaneamente de todas as constelações GNSS em órbita, como a geração de receptores U-blox F9, estão se tornando a norma. Como resultado, os receptores são capazes de “ver” um número maior de satélites, mesmo quando grandes porções do céu estão obstruídas, como em desfiladeiros urbanos (ou reais), melhorando a precisão e reduzindo o tempo para obter uma posição fixa.

Inicialmente, os receptores GNSS usaram sinais de satélite transmitidos em uma única banda de frequência para estimar sua localização. Uma das principais fontes de erro de posição é causada quando os sinais de satélite diminuem ao atravessar a ionosfera carregada. Como esse atraso é proporcional ao inverso da frequência ao quadrado, o uso de sinais de bandas de frequência adicionais pode ajudar a determinar e corrigir o erro ionosférico. A última geração de receptores GNSS de banda dupla reduziu o erro médio de posição de aproximadamente 2,5 m para menos de um metro em condições de céu aberto usando o posicionamento baseado em código padrão.

A qualidade do posicionamento GNSS há muito se beneficia dos serviços comerciais de correção GNSS. Os provedores de serviços de correção GNSS normalmente monitoram os sinais GNSS de entrada usando uma rede de estações base com posições precisamente conhecidas e transmitem informações de correção personalizadas para os usuários finais mediante o pagamento de uma taxa. Para o posicionamento baseado em código, são denominadas correções diferenciais.

Ao usar métodos RTK (Cinemática em Tempo Real) de rastreamento de fase portadora de alta precisão, as correções obtidas de um receptor de referência próximo permitem que o posicionamento em nível de centímetro seja alcançado. Hoje, uma nova geração de serviços de correção GNSS está em formação, que adota uma abordagem alternativa, transmitindo código GNSS e dados de correção de fase da portadora para uma região geográfica inteira, por exemplo, um país ou um continente inteiro, via Internet ou satélite.

A combinação de receptores multi-constelação e multi-banda com novos esquemas de correção GNSS para atingir precisões centimétricas, tudo com um custo de propriedade significativamente reduzido, está abrindo caminho para novos tipos de aplicações de mercado de massa para posicionamento de alta precisão centimétrica .

Dito isso, o GNSS continua a sofrer de duas desvantagens:Os receptores precisam estar idealmente dentro da linha de visão dos satélites em órbita para determinar a posição. Em ambientes internos e em túneis, os serviços estão degradados ou até indisponíveis. E, na melhor das hipóteses, um receptor GNSS leva vários segundos para determinar sem ambigüidade sua posição pela primeira vez a partir de uma inicialização a frio. Alimentado por sensores inerciais, as soluções de cálculo morto, principalmente sob medida para aplicações automotivas, estendem significativamente o alcance do posicionamento de alta precisão além do alcance dos sinais GNSS. O GNSS assistido (A-GNSS) acelera o tempo para a primeira correção, oferecendo uma maneira mais rápida de recuperar a órbita GNSS e os dados do relógio do que através dos próprios sinais GNSS.

Como o 5G trará novas melhorias para o posicionamento baseado em celular

5G New Radio, a próxima geração de tecnologia celular definida pelo 3GPP a partir da versão 15, já está em construção. ⁹ Os usuários finais em algumas regiões terão primeiro acesso à arquitetura não autônoma que se baseia em 4G LTE já no H1 2019, com Samsung e Verizon, LG e Sprint, e Huawei lançando smartphones 5G no início de 2019, e a Apple espera seguir em 2020. ¹⁰ Isso será seguido pela implantação de 5G autônomo.

Várias operadoras de rede móvel já anunciaram publicamente a implantação de redes 5G, começando em centros urbanos. Os EUA estão liderando o grupo. A AT&T iniciou seus lançamentos em 2018 e continuará até 2019, com o objetivo de oferecer cobertura nacional no meio do ano. ¹¹ Na Coreia, o segundo país a entrar na corrida, as telcos anunciaram em conjunto planos para lançar o 5G em março de 2019. ¹² No Reino Unido, a Vodafone anunciou planos para começar a lançar a tecnologia em 2020. No entanto, os serviços de posicionamento de alta precisão não farão parte das especificações 3GPP 5G NR até a versão 16 no final de 2019, com implantação seguindo em 2020 antes.

As forças motrizes por trás do 5G são diversas. Novos aplicativos estão trazendo demandas cada vez maiores para a mesa em termos de confiabilidade, disponibilidade, cobertura e latência de desempenho da rede celular. As operadoras de rede móvel estão buscando 5G para construir novos fluxos de receita de setores verticais da indústria. Os fornecedores de chipset veem no 5G uma oportunidade de aumentar a receita licenciando direitos de propriedade intelectual. E os usuários obterão as taxas de dados mais altas que vêm solicitando.

A tecnologia de comunicação celular 5G atende a esses diversos requisitos por meio de três cenários de uso principais:eMBB, uRLLC e mMTC, que descrevemos brevemente a seguir.

• eMBB (banda larga móvel aprimorada) expande o espectro dedicado à comunicação celular para frequências muito mais altas que transportam dados em velocidades mais rápidas.
• URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications) traz novas oportunidades, como aplicativos de veículos autônomos e veículos para tudo (V2X).
• O mMTC (comunicações massivas de tipo de máquina) continuará a evoluir no desenvolvimento de aplicativos de IoT em comunicações de área ampla de baixa potência (LPWA).

Habilitar o posicionamento nesses cenários requer novos sinais e nova infraestrutura que podem ser explorados para expandir a gama de técnicas disponíveis, ¹³ incluindo larguras de banda maiores em frequências mais altas, mais antenas combinadas em conjuntos de antenas complexos e redes de telecomunicações mais densas. Os objetivos são ambiciosos:precisão de posição submétrica fornecida com baixa latência abaixo de 15 milissegundos.

5G oferece larguras de banda e frequências maiores

O 3GPP está atualmente se concentrando em trazer uma variedade de métodos de posicionamento 4G LTE para o 5G. Normalmente, eles usam sinais de uplink e downlink para determinar a posição de dispositivos finais individuais para determinar sua posição em relação às antenas de rede móvel, que servem como pontos de ancoragem. Os exemplos são abordagens baseadas em Cell-ID e TDOA aprimoradas.

No Cell-ID aprimorado, os dispositivos finais monitoram sua proximidade a várias estações base, medindo a força do sinal e o tempo de propagação aproximado para o dispositivo. Combinando essas observações, uma estimativa melhor da posição do dispositivo pode ser calculada do que simplesmente medir o centro da célula mais próximo sozinho.

Em abordagens baseadas em TDOA, o dispositivo final mede com precisão os tempos de chegada de sinais de várias estações base. Usando a multilateração com base nas diferenças de tempo entre os tempos de recebimento observados, o dispositivo pode determinar sua posição para as estações base observadas com mais precisão do que usando Cell-ID aprimorado.

Outra classe é o sidelink ainda pouco explorado, uma tecnologia 4G LTE que envolve a comunicação dispositivo a dispositivo que pode permitir que os dispositivos determinem suas posições em relação uns aos outros. Um caso de uso óbvio são as comunicações de veículo a veículo (V2V).

A nova alocação de espectro de 5G é uma boa notícia para o posicionamento baseado em celular, em particular, devido à disponibilidade de larguras de banda maiores que estão localizadas em frequências mais altas (mmWave acima de 24 GHz além de sub 6 GHz). Largura de banda maior significa que o tempo do sinal pode ser resolvido com mais precisão (há uma relação inversa entre tempo e largura de banda), então larguras de banda maiores oferecem capacidade aprimorada para resolver efeitos de multicaminhos, a principal fonte de erro em configurações urbanas e internas desordenadas porque os sinais que viajam de forma diferente os caminhos chegam em momentos diferentes.

A mudança do 5G para novas frequências também afeta a implantação geográfica de estações base de celular e as tecnologias de antena usadas, mais uma vez beneficiando o posicionamento baseado em celular. Como incorrem em maiores perdas de propagação, os comprimentos de onda mais curtos têm menos alcance do que os mais longos, o que significa que os MNOs precisarão implantar mais estações base para manter a cobertura. Além disso, a introdução de arranjos de antenas com capacidade de formação de feixes ajudará a direcionar os sinais para os usuários finais. Uma densidade mais alta de antenas direcionalmente cientes melhorará a resolução dos componentes do multipath medindo o atraso, o ângulo de chegada (AoA) e o ângulo de partida (AoD), melhorando o desempenho de posicionamento. Além disso, pode ser possível localizar dispositivos usando uma única estação base.

Posicionamento de alta precisão onipresente exigirá abordagens híbridas

Nenhuma abordagem única será capaz de fornecer de forma confiável a precisão exigida pelos casos de uso alvo em todas as condições ambientais. Como vimos, embora as soluções baseadas em GNSS de hoje sejam capazes de fornecer posições de alta precisão de maneira confiável, elas têm limitações para aplicações internas. Por outro lado, as soluções de posicionamento baseadas em 5G podem complementar e fornecer estimativas de posição precisas para cenários internos e externos.

Soluções híbridas que combinam de forma otimizada múltiplas abordagens celulares com não celulares, como GNSS, sistemas de beacon terrestre (TBS), medições baseadas em Wi-Fi e Bluetooth e medições inerciais (IMU), são as mais promissoras para atingir esses objetivos. As redundâncias adicionais permitem maior tolerância a falhas e melhor integridade da solução geral, fornecendo uma medida quantitativa de confiança para acompanhar cada estimativa de posição.

Reconhecendo a promessa de soluções de posicionamento híbrido para permitir novas aplicações, o escopo do estudo 3GPP inclui GNSS e sinais de satélite, bem como sinais terrestres, como Wi-Fi e Bluetooth, e muito mais. As soluções resultantes, decorrentes do item de estudo 3GPP, têm como objetivo a introdução nas especificações de rádio para o Release 16 - Q1 2020.

Desafios definidos para o 3GPP

O 3GPP estabeleceu para si objetivos ambiciosos, com o Release 16 agendado para H1, 2020. Implementar soluções de posicionamento baseadas em celular no topo do cenário de sinal diversificado de 5G será um esforço complexo, pois incentivará a implantação oportuna de infraestrutura para permitir uma cobertura suficientemente ampla para atrair uma base de usuários grande o suficiente.

Como vimos, as abordagens de posicionamento híbrido serão cruciais para atender às necessidades rigorosas de aplicações emergentes, em particular porque a expectativa de posicionamento de alta precisão em todos os lugares, o tempo todo, se torna a norma. Isso inevitavelmente exigirá que representantes de diferentes tecnologias - seja GNSS, celular, curto alcance, comunicações por satélite ou outros - trabalhem juntos para produzir um resultado melhor do que a soma de suas partes constituintes.

A posição única da u-blox na indústria, como fornecedora líder de GNSS, sem fio de curto alcance e tecnologia celular, torna o advento das abordagens de posicionamento 5G, em particular, aquelas combinando tecnologias, particularmente empolgantes. O posicionamento híbrido se baseia na convergência de nossas competências essenciais e vemos um enorme potencial para inovação, novos níveis de desempenho e novos casos de uso. À medida que contribuímos para agilizar a união desses mundos diferentes para fornecer uma solução melhor e mais abrangente, não podemos deixar de esperar pelo resultado.



Este artigo foi coautor de David Bartlett, Engenheiro Principal Sênior, Posicionamento do Centro de Produtos da u-blox.

Referências

• 1) Serviços FCC 911 e E911
• 2) Resumos da legislação da UE:Serviços de telecomunicações acessíveis - direitos dos usuários
• 3) Baseado em “Evolution of Positioning Techniques in Cellular Networks, from 2G to 4G,” Rafael Saraiva Campos, Hindawi, 2017
• 4) UE é a abreviatura de Equipamento do usuário
• 5, 6) 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09), Relatório técnico, Projeto de parceria de 3ª geração; Serviços de grupo de especificações técnicas e aspectos do sistema; Estudo de casos de uso de posicionamento; Etapa 1, (versão 16)
• 7) Posicionamento de alta precisão para Cooperative-ITS (HIGHTS), entrega do projeto D2.1:casos de uso e requisitos de aplicação (1 de maio de 2015)
• 8) Relatório sobre as necessidades e requisitos do usuário da estrada, resultado da plataforma de consulta do USUÁRIO do GNSS europeu, European Global Navigation Satellite Systems Agency (GSA) (18 de outubro de 2018)
• 9) Marco da arquitetura do sistema de 5G Fase 1 alcançado, 3GPP, (21 de dezembro de 2017)
• 10) Principais telefones 5G:todos os telefones 5G anunciados e ainda por vir em 2019
• 11) AT&T nomeia 99 novos mercados de evolução 5G
• 12) Os chefes das operadoras se comprometem com o ‘Dia 5G da Coreia’
• 13) Whitepaper sobre novos métodos de localização para sistemas sem fio 5G e a Internet das coisas, COST Action CA15104, IRACON; Pedersen, Troels; Fleury, Bernard Henri

Artigos do setor são uma forma de conteúdo que permite aos parceiros do setor compartilhar notícias, mensagens e tecnologia úteis com os leitores do All About Circuits de uma forma que o conteúdo editorial não é adequado. Todos os artigos da indústria estão sujeitos a diretrizes editoriais rígidas com a intenção de oferecer aos leitores notícias úteis, conhecimentos técnicos ou histórias. Os pontos de vista e opiniões expressos nos Artigos da Indústria são do parceiro e não necessariamente da All About Circuits ou de seus redatores.