无论是在民用还是其他系统中，精确定位目标都具有重要意义。目前，到达时差（TDoA）、到达时间（ToA）、到达角（AoA）以及它们的混合参数等是常用于目标定位问题的主要定位参数。
本文将讨论领先的ToA和TDoA定位技术之间的异同及其发展，以及基于5G网络的定位技术改进，这些改进已经在理论上显示出优势。但请注意，“理论上”这个限定词——现实总是充满挑战，任何在理论上的优势并不一定能够在实际部署中得到落地。由于3GPP希望在5G中尽可能多地实现核心特性的理想，定义了许多理论上出色的功能，这不可避免地给5G部署工程带来了很多不确定性和争议，甚至出现了网络能力超过市场需求的异常情况。
然而，无论如何，5G确实在支持定位业务方面付出了努力，并体现出技术标准的众多建议方向在不断迭代和应对市场需求的历练中，展现出强烈的上升趋势。也许要满足人类大部分定位需求还需要时间，但技术的发展趋势已经让我们看到了希望。
在图表中，橙色圈和蓝色圈分别代表早期的ECID定位技术和后来的RFPM模式匹配技术。通过对比这两种技术的适用场景，我们可以发现，尽管RFPM相对于ECID在定位精度上有了数量级的提升（从100m尺度进化到10m尺度），但RFPM仍然存在着一个缺点，那就是高昂的部署成本。部署成本包括建立和维护RF模式初始数据库，这两个方面都需要大量的人力物力投入。如果RFPM定位业务在推广过程中出现问题，成本压力将凸显，从而影响RFPM的定位精度。实际上，我几乎没有听说过有运营商在实际部署RFPM的案例——至少在国内肯定没有。当然，RFPM的优点同样突出，它确实不需要额外部署专门的无线网络，可以完全与通信无线网络功能解耦，也不需要增加任何占用宝贵频谱资源的定位信令开销，同时提供一定的多径抗干扰能力，这在室内定位场景尤为重要。因此，在某些纯粹的室内定位环境下，基于WiFi接入技术的RFPM射频指纹技术仍然比较流行。企业可以自行部署、实施和维护RFPM定位指纹数据库，日常维护开销也相对较小，所以得到了广泛应用。
定位技术在室内和室外环境下的发展趋势呈现了不同的态势。在室内环境下，RFPM和ECID技术已经能够满足市场需求。然而，在室外环境中，尤其是在密集城区的多径环境中，ECID的定位精度差强人意且RFPM的部署成本较高，这成为需要克服的技术短板。
因此，在这个大趋势下，TDoA（到达时间差）无线定位技术应运而生。TDoA是一种利用多个基站到达同一客户端的信号耗时时间差进行定位的方法。相比之下，ToA（到达时间）定位技术是直接基于到达时间的方法。虽然ToA和TDoA都基于电磁波传播消耗时间的原理，但ToA要求参与测距的双方（基站和手机）必须实现时钟同步。如果时间不同步，将导致定位误差。这个误差在定位领域是无法忽视的。
需要注意的是，以上误差只是伪距误差，即从手机到基站的直线距离误差，并非手机自身定位的经纬度误差。在无线接口中，要实现精准定位，必须实现基站和手机间的纳秒级时间同步。没有这样的时间同步基础，就无法提供足够精确的伪距，也无法获得最终的终端地理定位精度。
值得注意的是，全球定位系统（GPS）等GNSS系统本质上就是利用ToA方法进行定位的。在开阔、无遮挡的环境下，GPS可以提供米级别的定位精度。那么为什么GPS等系统的ToA定位精度如此高呢？
基于ToA的GPS定位工作原理
GPS（全球定位系统）是一种基于ToA（到达时间）方法进行定位的全球导航卫星系统。该系统部署在地球轨道上，首先需要实现精确的全网时间同步系统。所有参与该系统的设备，无论是系统侧还是终端侧，都需要保持相同的时间节奏。这是实现定位功能的前提和必要条件。GNSS（全球导航卫星系统）向内部的所有设备提供精确的时间信息，包括完整的星历信息和每颗卫星的时钟状态信息。这些信息能够帮助终端设备进行时间同步、伪距修正和定位。
在GPS定位中，通过测量来自多颗卫星的伪距（Pseudo Range）和已知卫星位置坐标以及时钟偏差，可以得到终端接收机的位置和时钟偏差。通常，终端可以同时锁定多于四颗卫星，将其按星座分组，然后通过算法选择出误差最小的一组用于定位，从而进一步提高定位精度。
然而，在实际使用中，还有其他因素会影响伪距测量的准确性，例如地面的多径效应和大气电离层的时延。尽管如此，GPS作为GNSS系统的先驱，在全球范围内实现了高精度定位和全方位的时间同步，而且可以为无数终端提供定位服务，这是一项令人赞叹的成就。根据资料显示，GPS的时间同步精度可以达到30纳秒（ns），并且通过优化可以进一步提高。类似地，北斗等其他GNSS系统也具备相似的精度要求。
为了实现全球范围的时间同步和卫星定位，GNSS系统依赖于高精度的地面控制系统和时钟源的部署。这些地面控制系统分布在多个地理位置上，用于全面监控轨道卫星的位置和时钟状态。例如，GPS和欧洲的伽利略系统在全球范围内都建立了大量的地面监控站，以确保卫星矩阵中每颗卫星的轨道位置和时钟同步。然而，对于其他国家来说，如中国，由于地理分布的限制，建立全球范围的地面监控站是一个挑战。
GNSS系统除了提供定位和时间同步功能外，不承载任何其他业务。因此，GNSS系统的空中接口协议设计简洁高效，主要通过广播卫星星历信息来实现。GNSS终端设备可以捕捉到非常微弱的导航电文信号，并从中解析出定位和时钟校准所需的计算参数。最终，通过迭代方法进行计算，获得收敛于指定误差范围内的最终位置和时间值。
GNSS系统在城区室外环境下可以提供大约10米的定位精度，但受地面建筑物高度和密度等因素的限制，精度可能会有所降低。然而，在郊区等开阔地区，定位精度可以达到米级。对于北美公路等地势较为平坦的区域，普通级别的车载GPS设备已经可以实现米级精度。
ToA在地面通信网络中不适用的原因
如前所述，相对于部署在地球轨道上的GNSS（全球导航卫星系统），地面移动通信系统在空中接口上无法提供纳秒级别的同步能力。这并不是因为无法实现，而是因为在地面通信网络中并没有必要这样做。
移动通信网络是以通信业务为主的，其空中接口的设计非常复杂，并且具有多个设计目标。它需要满足终端设备的多种通信需求，同时保证终端的移动性和低功耗，并兼顾一定的定位能力。与之相比，GPS系统的导航电文具有单一性。在目前的发展阶段，我们已经讨论了ECID和RFPM等定位方法，这些方法只能勉强完成任务。因此，为了进一步改善定位能力，需要在5G阶段进行综合考虑和改进。
在当前技术条件下，在移动通信网络中的终端设备和网络基站之间，仅在开机寻网、注册和发起具体业务时才需要通过主动同步过程建立较为严格的时间同步关系。需要注意的是，“较为严格”的时间同步与GPS的时间同步不在一个数量级上。此外，在终端设备驻留在网络中的大部分时间内，为了节省终端设备的电源消耗，基站和手机之间的信令开销首要设计目标是精简而不是满足定位业务的需求。因此，只有当定位业务被视为非基础业务时，才不可能实现与GNSS类似的定位效果。
即使在终端和基站之间建立了时间同步关系的情况下，其时间同步性能的服务目标也不是定位业务，或者说并非主要针对定位需求，而是为了降低小区内终端之间的干扰以及移动时切换产生的业务质量保证。这些业务对于时间同步的需求并不高，通常在微秒（us）级别，这是由4G甚至5G的空中信道格式和结构所决定的。此外，还需要注意的是，在4G和5G阶段，时间同步还需要满足载波聚合（Carrier Aggregation）或协同多点收发（CoMP）等特殊通信业务的需求。读者无需深入了解这些专业术语，只需要明白这些特殊通信业务对于时间同步也有一定需求即可。
业务需求决定系统性能
因此，我们可以得出以下结论：在GNSS、移动通信系统和室内无线系统的定位性能评估中，业务需求决定了系统性能。这个准则在PLMN通信系统的设计中得到了充分体现。如果没有考虑业务和性能之间的匹配，而系统在性能和业务设计上过于超前，那么它很可能会遭受现实的挫败。
对于移动通信系统来说，其首要目标是确保在人类活动区域的地表上尽可能无缝地覆盖语音和数据网络，以支持静止和移动场景下不间断的业务获取能力。尽管3GPP的技术发展从未停止，但这些基本业务对性能的更高要求也从未停止过。在5G时代，尽管业务能力的增强导致最基础的物理帧结构变得更加精密，但满足这部分所需的同步时间仍然停留在微秒级别，即大约+-1.5us，这与前代4G LTE没有本质区别。
在网络侧，基站与基站之间的时间同步性是通过依赖链接基站的有线网络来实现的，例如传统的光传输网络或电信以太网。此外，每个基站站址上安装的GPS和北斗GNSS同步系统也可以提供纳秒级别的同步定时，以满足4G和5G时代载波聚合CA、协同多点收发CoMP和高速漫游等业务的需求。网络侧时间同步性能的提升间接对基于移动网络的定位性能演进有所帮助。这正是本文首图中的绿色圈所示的TDoA技术的基础——网络侧时间同步。尽管ToA无法实现，但TDoA仍然有望实现。
