LTE筆記: Time Difference of Arrival form Uplink SRS (1)

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針對 LTE (4G)/5G 這樣的行動通訊系統而言,
TDoA (Time Difference of Arrival) 大概算是最常見的定位量測資訊,
然而, TDoA 的資訊事實上來自於使用者的傳輸訊號,
需要搭配 SRS (Sounding Reference Signal) 的傳輸進行量測,
在過去, 由於此部分的公開資料有些少, 所以我們並沒有許多實作的細節,
最近, OAI (Open Air Interface) 實作了 TDoA 與 LMF (Location Mgmt. Function),
讓我們可以一窺 TDoA 的取得方式與實作機制.

我們在第一篇文章中, 先介紹以 SRS 實作 TDoA 的基本概念,
本文主要的內容來自於: arXiv:2409.05217
From Concept to Reality: 5G Positioning with Open-Source Implementation of UL-TDoA in OpenAirInterface

來自: https://arxiv.org/html/2409.05217v3

在以上的流程圖中, 介紹了 OAI 實作中, 如何發起 SRS 的量測:
  1. LMF (Location Management Function) 是定位的核心控制單元
  2. LMF 先透過 API 接收到定位請求（包含 UE 的 IMSI/SUPI、NCGI 等資訊）
  3. LMF 透過 NRPPa 協議 向 serving gNB 發送 Positioning Information Request, 要求 UE 傳送 Sounding Reference Signal (SRS)
  4. serving gNB 配置 SRS 資源, 並回報其 SRS 配置給 LMF
  5. LMF 再下達 Positioning Activation Request, 正式觸發 UE 傳送 SRS
  6. 其他鄰近的 gNB/TRP 透過相同的配置接收 UE 的 SRS, 並回傳量測結果給 LMF
接著, 透過取得的 SRS 量測數值, 
gNB 的 PHY 層利用 UE 的上行 SRS 進行通道估計與 ToA (Time of Arrival) 計算：
  1. 使用 Zadoff-Chu 序列的 SRS 進行相關運算與 IFFT, 得到通道脈衝響應 (Channel Impluse Response, CIR)
    • 個別 gNB 找出最大峰值對應的時間索引, 得到 ToA
    • gNB 將 ToA 回傳給 LMF (單位為 ns)
  2. LMF 將各個 gNB 的 UL-RToA 測量值 (UL Received Time of Arrival) 轉為實際時間值。
  3. LMF 選定一個參考 gNB (通常為 RSRP 最強的), 計算其他 gNB 的 ToA 與其的差值, 得到 TDoA 數值
  4. LMF 使用 TDoA 量測數值, 結合已知 gNB 位置, 計算 UE 的座標
在文章中, 我們可以看到 TRP (Transmission and Reception Point) 這個元件,
用以代表在同一個基地台 (gNB) 底下不同的傳輸單元, 可以對應於 cell-free 的架構,
若是單一基站只有一組 TRP, 此處即對應不同基站的觀察數值.

針對我們之前的研讀, 可以了解 SRS 對應了不同的頻率與時間間隔,
使用 comb, offset, interval 之類的參數來定義 SRS 參考訊號的重複配置,
簡單來說, SRS 在頻域上越密集, IFFT 轉出來的 CIR 越精細, ToA 估計的誤差也越小,
同時, TRP 之間的同步也對定位產生影響, 
在實驗中, 1 ns 的同步誤差就會造成約 0.3 m 的定位誤差,
而不同 TRP 之間徒步誤差可達 40 ns, 這些因素都會影響 TDoA 的定位效果.

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