5G通讯如何达到“高精准度定位”？
Release-16 这个版本有何突破？不像外界强调的 10 Gps 传输速度，这次的标准制定更着重于 5G 通讯对于物联网 A-IoT 与车联网的应用规范要求，要求通讯标准的效能与效率都要达到一定的标准，例如传输讯号的覆盖范围、延迟、能源消耗、讯号干扰、多天线传输（MIMO）以及定位效能提升（5G Location and Positioning Enhancements）。
虽然说新版的 5G 通讯标准有众多的新规格，预计带来更完整的通讯功能，但“高精度定位”的革新绝对是最引人注目的功能，假设新一代的通讯标准有办法实现更精准的定位，那么未来的潜在应用将充满想象空间。高精准度的定位与追踪系统地图导航、呼叫出租车、位置共享、物体追踪等等的常见日常应用都需要开启智能手机的“定位（Location）”功能，但我们也深受其误差困扰，比如说实际位置与屏幕上的位置常常误差了数十公尺，导致司机找不到乘客或是无法掌握对方的正确位置，目前 4G 时代的民用定位性能虽然相较过去有了长足的进步，但只能算是堪用的地步。
当精准定位成为可能，人们还有隐私吗？ 浅谈 5G 通讯如何达到“高精准度定位”根据 3GPP 所提出的研究报告，以现有的定位技术来说，单一系统的定位方式不足以提供足够的精确度，误差范围都在 50 公尺之内，必须使用混合的模式增加定位的精确度，目前主流的定位系统包含：3GPP（LTE）、室内定位技术（Terrestrial Beacon System, TBS）、 WiFi 定位、蓝芽（Bluetooth）以及全球卫星定位系统（GNSS）── 综合上述技术，民用精准度可提升到一般户外 0.3 公尺的正确度，不过要达到这个数值依然高度仰赖现场的环境条件。
智能手机同时使用数种方式进行定位，最主要的方式有两种，分别是 3GPP（LTE） 及全球卫星定位系统（GNSS）。LTE 是透过基地台发送的相对讯号进行三角定位，电信商可以透过基地台的位置及对应的讯号强弱程度判断接收者的位置，但这项技术精准度不高，通常会搭配 GNSS 来提高精准度，像是智能手机均会搭载 GPS 芯片接收卫星的位置讯息，原理是单向接受数颗卫星的讯号进行定位，常见的卫星系统像是 GLONASS 、北斗、伽利略及最常见的 GPS 系统。
虽然现有的技术可以在户外提供不错的效果，但受到建筑物群遮蔽及讯号的影响，到了室内精准度却会大幅下降，但物联网所规划的应用场景，却对室内高精度定位有着严苛的要求，比如说需要掌握工厂内的货物位置、城市内的移动车辆或是医院内的病患等等移动对象，目前混合式定位技术的精准度仍然过低， 3GPP 寄望接下来 5G 通讯系统能给予更大程度的效能改善，将室内定位精确度从公尺提升到公分的级别。
如果先前多次提到， 5G 通讯系统相较于 4G 拥有频率更高的讯号、更大的通讯带宽、多天线数组的指向性传输以及密集的小型基地台部属特性，这些都是 5G 通讯系统能够提升定位精度的关键，根据 3GPP 电信组织所制定的 Release-16 标准报告， 3GPP NR 技术设计上针对定位效能做了不少改善。
回归本质，为何 5G 定位性能相较 4G 可以改善这么大？ 这边先提醒，这是我读过多篇 5G 定位论文取其中较易懂的部分所整理而成，为了方便读者理解的科普文章，省略了许多严谨的技术原理，若真的想理解完整技术的读者，建议可以去详读 3GPP 所提供的详细技术规格及论文导读。高频波的直径路线特性（High Frequencies）5G 通讯高频波的路径传输损失（Path Loss）与穿透损失（Penetration Loss）都较低频波来得严重，路径传输损失的意思是基地台发出讯号后，会经过一段距离才会到接收装置，中间这段距离会有讯号衰减的问题，而电磁波的频率越高、波长就越小，越容易被建筑物阻挡，导致 5G基地台的讯号覆盖范围会比较小，特别是在建筑物林立的环境中， 毫米波的覆盖范围仅有数百公尺。
移动位置服务（Location Based Service）的原理是透过讯号衰减的强度来判别基地台距离，当手机距离基地台越远，收到的讯号就越差，当手机搜寻到三个基地台以上的讯号时，大致上就能定位出接收装置的地址位置。但实际情况中，定位过程容易被多路径衰减（Multipath Fading）干扰定位，意思是从不同距离、不同方位的电磁波几乎同时被装置接收，但多路径环境的干扰导致接收的讯号强度接近，无法解析其中延迟差异，所以精确度仅有 50 公尺以上，在郊区甚至可以差到数公里。
但 5G 高频波具有严重的穿透损失性质，只要有大型建筑物阻挡讯号，装置便无法接收，所以不会有多路径衰减（Multipath Fading）的干扰，反而让电磁波绕射、散射及反射的干扰问题不大，因为高频电磁波几乎只能以直线路径（Line of Sight, LOS）的方式传递，而直线是最容易计算距离的路径类型。
也就是说，只要装置收得到讯号，对应的基地台中间大多都不会有大型遮蔽物（有的话讯号就收不到），干扰少的情况下，系统只要计算接收装置周遭的基地台群便能够进行精度较高的定位。更大的可用带宽（Large Bandwidth）5G 频谱的毫米波（mmWave）具有移动通讯中前所未有的大带宽，因而能提供更小的延迟以及良好的定位功能，当传输带宽越大，讯号的取样间隔越短，这样的原理之下，毫米波系统便具备较高的原始分辨率（Raw Resolution），这个数值代表可衡量的最小距离差异，就像尺的刻度越小可以测量出物体更精确的长度，当分辨率越高，可测量的最小距离越小，代表精确度越高。
根据 3GPP 的论文指出，在使用参考讯号（PRS）的实验中，最大带宽 20MHz 的 4G LTE 频道可以提供 15 公尺的定位精度，但带宽高达 4GHz 的毫米波系统却可以准确到 7.5 公分，两者的准确度差异非常大。MIMO 多天线数组（Massive MIMO Antenna Arrays）手机的地理定位可以透过到达角度（Angle of Arrival, AOA）完成，利用多个基地台群发送讯号，用户装置的多个天线接收讯号，产生不同的接收角度差异，最后找出所有讯号的交错点就是用户的精准位置，但现实环境有非常多的错误干扰，因此装置通常需要与多个基地台进行沟通，而装置上的天线也必须自动旋转以找到讯号最强的方向。
在5G 通讯时代，为了支持多带宽接收与发送，天线模块必须更为复杂，多输入多输出（Multi-input Multi-output, MIMO）技术因而受到瞩目，原理是在基地台设置大规模的多天线数组，利用多根发射天线与多根接收天线的组合提升频谱的效率与公耗，重要的是提供更多的空间自由度（High degree of resolvability of angles）。
简单说就是多根天线各自接收、发送不同角度的讯号，当空间样本数的变量增加，更多的讯号角度信息增加，定位的分辨率就能跟着提升，判别更精准的地理位置。高密集基地台（Network Densification）由于 5G 讯号覆盖范围小，而且容易遭到建筑物遮蔽，实际的覆盖范围只有数百公尺，如果要达到都市内普及，电信商必须大规模部署小型 5G 基地台才有办法达到，例如日本提出红绿灯结合基地台、英国研究在人孔盖步数的可行性，指向 5G 基地台会是蜂巢式的结构，借此提升区域频谱与能源的使用效率。
高密度基地台代表有许多可供参考的资料节点，可以提供高密集度的位置信息达到更精准的定位，而且毫米波大多走直径路线，不受多路径干扰，理论上能够有最好的定位精准度── 高密度基地台、高频波直径路线特性、大带宽的高分辨率以及 MIMO 技术提供的多空间自由度，虽然还没有实际的商用测试数据，但上述的特性确实能提供比 4G 通讯好太多的定位性能。
VVT（可变气门正时技术）是一种怎样的技术？原理是什么？
VVT（可变气门正时）从字面意思来看就是通过某种特有技术让发动机气门的开关时间达到可变调节的正时效果。正时：让发动机在正确的时间做正确的事因为发动机的配气机构就是用来调节发动机进排气效果以保证发动机在某些工况的效率。但是发动机的工况是不断变化的，因此固定时间下气门的开闭肯定不能满足发动机全工况下对进气效率的需求。
所以，可以通过硬件机构实现气门的提前和延迟改变时间并配合电控系统的精准控制可以实现气门调节在一定幅度每的智能可变。这种技术就是我们平时所说的VVT可变气门正时，如果加上电控系统就是电子可变气门正时。比如本田的ivtec、丰田的vvt-i等。它们相对没有可变气门正时的发动机主要有以下优点：提高燃油经济性提高低速稳定性和扭矩输出有助于提高功率降低排放污染与未搭载VVT的发动机相比燃油经济性差不多会提高10%-20%，功率提升5%-10%。
下面用浅显易懂的话来分享下它是怎样一种技术？为何要用它？四冲程发动机一个完整的循环包括：吸气、压缩、做功、排气，由于每个冲程都需要活塞由上止点移动到下止点完成180度，所以整个循环曲轴实际上要旋转720度。凸轮轴是发动机完成配气的主体，凸轮轴由曲轴通过正时皮带驱动，但是一个完整的冲程进气门和排气门只需打开一次所以它们之间齿比固定为2：1。
也就是曲轴转两圈，凸轮轴只需要转一圈。按道理说气门的开关不是要严格按照每180度一个冲程开闭一次？比如吸气冲程活塞开始下行就打开气门，当活塞到达下止点准备上行前气门关闭；排气冲程在做功结束前一刻打开排气门，活塞上行排除废气。理论上这种配气不是挺合适的？但现实往往不允许，因为发动机的运行是极其复杂和多变的，无论是阻力、摩擦力、进气效率、温度、压强、废气循环等等各种因素都会影响发动机的性能综合性。
相对于配气系统来说发动机的进气效率其运行有着极其重要的作用而配气系统却和气门的正时有着直接关系。发动机理想工况是吸气充足而排气干净，因此固定的气门开闭时间虽然在某一特定情况下非常符合发动机的配气需求，但是针对变化无常的发动机工况来说固定的开闭时间并不能满足不同的配气需求，总得来说就是发动机的进气量不能满足燃料尽可能燃烧而废气总不能完全排除。
所以在VVT没出来的时候大家都通过改变凸轮结构的方法来延长进、排气门的开闭时间。这种办法可以保证在发动机在吸气开始前气门提前打开、吸气结束后气门延迟关闭来获得更多的充气效率。在排气前气门提前打开排气后气门延迟关闭，提高排气效率。这个时候就会出现一种状况：排气门未关闭的时候进气门就打开了，而进气门开和排气门开的过程曲轴旋转过的角度就被称为“气门重叠角”。
VVT和气门重叠角有啥关系？气门重叠角的存在完全是为了符合发动机实际运行工况而设定的，因为实际工况发动机的进气效率都不可能达到1的系数（自吸）。所以通过这种办法就尽可能提高了进排气效率，这样燃烧效率和排气效率都会相应提高。实际上凸轮造成的气门重叠角就类似一个简单的“固定气门正时”效果，它能保证发动机在全工况下实现气门的“早开、晚关”效果。
而至于怎么能让它达到“可变”的效果就是下面要说的可变正时技术了，因为可以说VVT的运行都是在气门重叠角基础之上。既然气门重叠角既定，如果我想实现不同转速公工况下发动机的进气效率都尽可能最大、排气效率也提高，减小泵气损失，提高EGR效率从而让发动机在不同工况实现不同效果。比如低速时减小气门重叠角来保证燃烧效率、稳定性、经济性泵气损失等；高速时增大气门重叠角提高进气效率，提高功率的输出。
如何实现？结构原理如何实现？如果在特定工况让凸轮轴提前或者延迟旋转一个角度后就能保证凸轮提前或者延迟顶压气门顶杆，从而提前或者延迟气门的开闭时间。这里就要用到VVT相位器，它就是是调节曲轴旋转的执行机构。结构是一个扁形圆柱体的密闭液腔中有数个独立液腔，每个独立液腔由转子扇叶分开为两个小液腔分别为滞后室和提前室。
转子和凸轮轴连接，相位器由电控液压进行控制，接受ECU信息对滞后室和提前室进行液压油加压从而导致液压大的一侧驱动转子提前或者之后旋转某一个角度，最终通过凸轮轴实现气门开启时间的可变。比如高转速工况下我需要进气门提前打开更大幅度，此时ECU会对电控系统下达提前开启指令，电控系统控制液压油挤压相位器液腔的提前室，液压推动扇叶旋转从而带动凸轮轴正时旋转一个角度，这时凸轮就提前接触气门顶杆慢慢打开气门开度。
总结：VVT其实是一种折中方案，它虽然能提升低速扭矩和高速功率并提高不错的燃油经济性但是中段工况输出乏力。而由于凸轮的行程固定所以照顾到开启就无法兼顾关闭，最终标定都是经过N次实验来取一个兼顾方案。现在很多车企也搭载了双VVT（DVVT），不仅照顾到进气侧也照顾到排气侧使进排气都尽可能达到更好的效果，相比VVT的节油性和性能提升会更好。
