5G核心網(wǎng)增強位置業(yè)務(wù)技術(shù)研究

李延斌，馬瑞濤，肖衛(wèi)東（.中國聯(lián)通研究院，北京 00048；.后勤學(xué)院信息管理中心，北京 00858）

1 概述

隨著智能終端的快速發(fā)展，手機定位技術(shù)的需求越來越強烈，業(yè)務(wù)類型也越來越多樣。一般的手機終端定位技術(shù)包括自有手機定位系統(tǒng)與公用定位服務(wù)。自有手機定位系統(tǒng)指利用手機上的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS）定位模塊將自己的位置信號發(fā)送到定位后臺來實現(xiàn)手機定位的。公用手機定位服務(wù)一般由運營商來提供，是利用基站對手機的距離的測算來確定手機位置的。當前流行的定位技術(shù)仍然以GPS 為主，但全球化的GPS 傳播信號時會受到建筑物、位置環(huán)境等影響，導(dǎo)致定位范圍和精度均有所限制。

20 世紀90 年代起，定位技術(shù)在3GPP 標準中已經(jīng)開始有一席之地。隨著2G 到4G 的不斷演進，定位在空口可用可控制的資源也逐步擴展，定位精度得到了逐步提升。5G 時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)和智能化對基于位置的服務(wù)提出了更高要求，高精度定位服務(wù)（LCS）被作為一個重要的標準項目提出并持續(xù)演進增強。

2 定位技術(shù)演進

2.1 LTE低精度定位

2009 年底在3GPP Rel9 版本中完善了LTE 定位方法，引入了E-CID、OTDOA+PRS、A-GNSS，以及定位協(xié)議（LPP），具體情況如表1所示。

表1 LTE低精度定位進展情況

2.2 LTE高精度定位

3GPP引入多種室內(nèi)定位方法進行位置增強，可以實現(xiàn)50 m的水平定位精度，具體情況如表2所示。

表2 LTE高精度定位進展情況

2.3 5G高精度定位

全面支持服務(wù)架構(gòu)和架構(gòu)簡化，實現(xiàn)定位功能的去耦合和匯聚，提高定位信令效率，同時更加注重用戶隱私的保護，需要征得用戶許可才可以進行定位業(yè)務(wù)的執(zhí)行，具體情況如表3所示。

表3 5G高精度定位進展情況

主要功能有：基于3GPP 接入的控制面定位過程，包括5GC-MT-LR、5GC-MO-LR、延遲5GC-MT-LR、LMF 改變、定位業(yè)務(wù)能力開放等流程；基于非3GPP 接入的控制面定位過程；EPC和5GC互聯(lián)；定位輔助信息廣播；針對多用戶的LCS業(yè)務(wù)批量操作等。

當前可見的用途或使用場景包括NR 接入時實現(xiàn)基于控制面的高精度定位、非3GPP 接入時實現(xiàn)基于控制面的高精度定位、4G 和5G 互操作時關(guān)于定位業(yè)務(wù)的處理、LMF 將定位輔助信息廣播給UE 和針對一組用戶的定位。

3 5G定位核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 5G定位網(wǎng)元

3.1.1 LCS

AF 和NF 可以使用Ngmlc 接口從同一個信任域中（例如在相同的PLMN）的GLMC 訪問LCS 服務(wù)，也可以使用Namf 接口通過同一個信任域中的一個AMF 的位置信息的Event Exposure訪問LCS服務(wù)。

LCS 用戶也可以使用Le 參考點從一個GMLC（例如HGMLC）訪問LCS 服務(wù)。外部AF 可以使用Nnef 接口或CAPIF API從一個NEF訪問LCS服務(wù)。

3.1.2 GMLC

GMLC 需要支持LCS 的功能。在一個PLMN 中，可能有多個GMLC。

GMLC 是PLMN 中外部LCS 客戶訪問的第一個節(jié)點（即：GMLC 支持Le 參考點）。AF 和NF 可以直接或通過NEF 訪問GMLC。GMLC 可以通過Nudm 接口從UDM 請求路由信息和/或目標UE 隱私信息。在執(zhí)行完一個外部LCS用戶的認證并驗證了目標UE隱私，一個GMLC 轉(zhuǎn)發(fā)一個位置請求到使用Namf 接口的一個服務(wù)的AMF 或UE 處于漫游場景使用Ngmlc 接口的另一個PLMN的GMLC。

目標UE 的隱私內(nèi)容設(shè)置應(yīng)該總是在發(fā)送位置評估前，在UE的HPLMN中被檢查。

VGMLC是關(guān)聯(lián)目標UE的服務(wù)節(jié)點的GMLC。

HGMLC 是位于目標UE 的HPLMN 的GMLC，其負責(zé)控制目標UE的隱私檢查。

一個支持位置服務(wù)的GMLC額外功能包括：

a）如果一個HGMLC中，存在多個AMF，需要確定目標UE的服務(wù)AMF。

b）一個HGMLC 中，如果第一個AMF 返回的位置信息不能滿足QoS 需求且存在多個服務(wù)AMF 時，需確定是否從不同的AMF 嘗試目標UE 的第2 次位置請求。

c）在一個HGMLC 中，支持從一個外部的LCS 客戶或NEF 發(fā)起一個周期、觸發(fā)、UE 有效性位置事件的延時5GC-MT-LR位置請求。

d）在一個HGMLC 中，基于部署配置，轉(zhuǎn)發(fā)一個漫游UE 的位置請求到一個VGMLC 或到VPLMN 的服務(wù)的AMF。

e）在一個HGMLC 中，為一個周期或觸發(fā)的延時定位流程（5GC-MT-LR），從一個VGMLC 或LMF 接收事件報告，并返回到一個外部的LCS客戶端或NEF。

f）在一個HGMLC 中，支持一個周期或觸發(fā)的定位的刪除。

g）在一個VGMLC中，如果UE請求，從一個VGMLC為一個5GC-MO-LR接收位置信息，并轉(zhuǎn)發(fā)到一個LCS用戶或一個AF（通過NEF）。

h）在一個VGMLC 中，為一個漫游UE 的一個延時的5GC-MO-LR的周期或觸發(fā)的定位從一個LMF接收事件報告，并轉(zhuǎn)發(fā)到一個HGMLC。

i）在一個VGMLC 中，從一個AMF 接收一個5GCMO-LR的位置信息，并轉(zhuǎn)發(fā)到一個HGMLC。

j）在HGMLC 中，拒絕來自LCS 客戶端的LCS 請求，例如，當LCS 請求中的目標UE 數(shù)量超過該客戶端的最大目標UE數(shù)量時。

k）在HGMLC 中，為來自外部LCS 客戶端或LDR的NEF的每個位置請求分配參考號。

l）在HGMLC 中，如果服務(wù)請求中收到假名指示符，則分配假名，并將其轉(zhuǎn)移到外部LCS客戶端。

3.1.3 LMF

LMF 負責(zé)對注冊或接入5G CN 的UE 的位置所要求的總體資源的協(xié)調(diào)和調(diào)度，并計算和認證一個最終的位置，以及速度估算，并估算可達到的準確性。LMF通過Nlmf 接口從服務(wù)AMF 獲取一個目標UE 的定位請求，LMF 和UE 交互以交換適用于UE 輔助的以及基于UE 的定位方法的位置信息，并和NG-RAN、N3IWF或TNAN交互獲取位置信息。

LMF應(yīng)基于3GPP TS 23.032定義進行定位結(jié)果地理坐標的判斷，如果被請求并且可用，定位結(jié)果可同時包含UE的速度。

可由一個LMF 執(zhí)行以支持位置服務(wù)的額外功能包括：

a）支持從服務(wù)AMF 接收針對一個目標UE 對單一位置的定位請求。

b）支持從服務(wù)AMF 接收針對一個目標UE 的周期性的或觸發(fā)的定位請求。

c）基于UE 和PLMN 能力、QoS、UE 每種接入類型的連接狀態(tài)以及LCS客戶端類型決定定位方法。

d）針對一個UE 周期性或觸發(fā)的定位直接向GMLC報告UE位置估算。

e）支持針對一個目標UE 取消周期性或觸發(fā)的定位。

f）支持經(jīng)由NG-RAN 以加密或非加密的形式向UE 下發(fā)廣播的輔助數(shù)據(jù)，并經(jīng)由AMF 向簽約的UE 轉(zhuǎn)發(fā)任何加密密鑰。

g）支持針對一個目標UE 的周期性或觸發(fā)的位置報告改變LMF。

3.2 5G定位核心網(wǎng)架構(gòu)

5G 定位核心網(wǎng)架構(gòu)有2 種：參考點表示的非漫游UE 的5GS LCS 架構(gòu)（見圖1）和SBI 表示的非漫游UE的5GS LCS架構(gòu)（見圖2）。

圖1 參考點表示的非漫游UE的5GS LCS架構(gòu)

圖2 SBI表示的非漫游UE的5GS LCS架構(gòu)

3.3 5G定位流程

3.3.1 終端結(jié)束的位置請求（MT-LR）

通過終端被叫位置請求（MT-LR），在服務(wù)PLMN外部或內(nèi)部的LCS 客戶端或AF 可向PLMN 發(fā)送位置請求，以獲取目標UE的位置，流程如圖3所示。

a）LCS Client向GMLC發(fā)起定位請求。

b）GMLC 發(fā)送請求到UDM 找到AMF 地址，再發(fā)送Namf_Location_ProvidePosinfo_Request 請求到AMF，AMF 發(fā) 送Nlmf_Location_DeterminLocation_Request 到LMF，LMF執(zhí)行1種或多種定位程序。

c）LMF 返回Nlmf_Location_DeterminLocation_Re?sponse 到AMF，AMF 返回Namf_Location_ProvidePosin?fo_Response給GMLC。

d）GMLC生成位置結(jié)果返回給LCS Client。

3.3.2 終端發(fā)起的位置請求（MO-LR）

通過移動始發(fā)位置請求（MO-LR），UE 向服務(wù)PLMN 發(fā)送針對該UE 位置相關(guān)信息的請求。流程如圖4所示。

圖3 終端結(jié)束的位置請求

圖4 終端發(fā)起的位置請求

a）UE 通過UL NAS TRANSPORT 消息發(fā)送MO- LR定位請求到AMF。

b）AMF 發(fā)送Nlmf_Location_DeterminLocation_Re?quest到LMF，LMF執(zhí)行1種或多種定位程序。

c）LMF 返回Nlmf_Location_DeterminLocation_Re?sponse到AMF。

d）AMF調(diào)用Ngmlc_Location_LocationUpdate 服務(wù)，將位置結(jié)果發(fā)送給GMLC。

e）GMLC將位置結(jié)果傳送到標識的LCS客戶端或AF。

f）AMF通過DL NAS TRANSPORT消息給UE回復(fù)MO-LR響應(yīng)。

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的位置請求（NI-LR）

網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的位置請求（NI-LR），用于UE 的服務(wù)AMF 為某些監(jiān)管服務(wù)（例如來自UE 的緊急呼叫）啟動UE 的位置。通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的位置請求，服務(wù)于UE 的AMF 可為某些監(jiān)管類服務(wù)（例如來自UE 的緊急呼叫）啟動UE的位置請求，流程如圖5所示。

a）UE發(fā)起緊急呼叫后，AMF發(fā)送Nlmf_Loca?tion_DeterminLocation_Request到LMF，LMF執(zhí)行1種或多種定位程序。

b）LMF向AMF返回Nlmf_Location_DetermineLo?cation 響應(yīng)，返回UE 的當前位置，AMF 發(fā)送Namf_Lo?cation_EventNotify給GMLC。

c）GMLC將位置信息推送給LCS Client。

3.3.4 即時位置請求

通過即時位置請求，LCS客戶端或AF 發(fā)送或啟動針對目標UE（或目標UE 群組）的定位請求，并預(yù)期在較短時間內(nèi)接收到包含目標UE（或目標UE群組）的位置信息的響應(yīng)。該響應(yīng)時間段可以使用QoS指定。即時位置請求可以用于NI-LR、MT-LR或MO-LR。

3.3.5 延時位置請求

通過延時位置請求，LCS客戶端或AF 將位置請求發(fā)送到目標UE（或目標UE 群組）的PLMN，并預(yù)期在將來的某個或多個時間點，接收到包含事件發(fā)生指示和位置信息的響應(yīng)。該響應(yīng)與目標UE（或目標UE 群組）以及特定事件相關(guān)聯(lián)。

3.4 R16定位技術(shù)特性

3.4.1 目標

監(jiān)管需求：80%的時間水平誤差小于50 m。

商業(yè)目標：80%的時間室外水平誤差小于10 m；80%的時間室內(nèi)水平誤差小于3 m。

3.4.2 流程改進

a）隱私保護增強：MT-LR 增加了對位置隱私的鑒權(quán)，確保只有得到用戶的授權(quán)，才可以對UE 進行定位。

b）MO-LR 定位請求：物聯(lián)網(wǎng)終端通過使用MOLR 流程獲取當前位置并主動上報位置，終端發(fā)起的流程還應(yīng)用在一些自動化作業(yè)的場景，例如工廠中的機器人、AGV 實時獲取自己的位置，以支持路徑規(guī)劃或在非作業(yè)時間自動回到指定的停靠區(qū)域等。

c）延遲定位請求：適用于MT-LR 定位，支持如下事件：

（a）UE 可用（UE availability）：當UE 可達時，定位系統(tǒng)將實時獲取UE 的位置信息。

圖5 網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的位置請求

（b）事件觸發(fā)：Area UE 進入，離開或停留在預(yù)定地理區(qū)域內(nèi)的事件發(fā)生時，系統(tǒng)實時獲取UE的位置。

（c）周期性位置：Periodic Location UE 中定義的周期性計時器到期并激活位置報告的事件發(fā)生時，系統(tǒng)實時獲取UE 的位置。

（d）Motion UE 從先前位置移動超過某個預(yù)定義直線距離的事件。

d）組用戶定位：客戶端請求定位組ID 標識的UE 組，GMLC/NEF 通過UDM 獲取該ID 對應(yīng)的UE組，然后對這一組的用戶終端進行定位。

4 定位部署方案及展望

運營商應(yīng)同時支持2G、3G、4G、5G、NB-IoT、LTE、5G、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)制式所有定位方法，提供豐富的定位算法支持，全面支持豐富的應(yīng)用，如圖6所示。

圖6 定位部署

隨著5G的快速發(fā)展，移動通信網(wǎng)能夠提供的業(yè)務(wù)能力越來越高，為各種應(yīng)用及業(yè)務(wù)提供了保證和平臺。定位技術(shù)也即將進入快速發(fā)展時期。