Castle on a Cloud

在前幾篇 PRS 文章中ㄝ,  我們把 PRS 當成由 TRP/gNB 下行發送, 由 UE 量測的定位參考訊號, 並整理了 PRS 相較 SRS 的幾個差異, 例如: muting, 較高功率, 彈性的 comb/symbol, 可做 burst, 同步要求更高等, 以及 PRS 在實作上 (OAI / STARE) 目前的實作成果. 接著, 我們把問題延伸一些, 也就是利用 NTN 衛星網路來進行定位, 為什麼要用 NR-NTN 來進行定位呢? 從標準來說, 3GPP 在 Rel-18 開了方向為 network verified UE location for NR-NTN (TR 38.882), 在需求與 use case 層面把位置驗證當成一個 NTN 會面對的議題. 這代表, 以 NTN 進行定位, 的確被列入未來 5G NR 網路發展的需求, 那麼, 就技術面來說, 為何 NTN 會是一個定位的好選擇呢? 相較於 GPS 系統, 雖然 NTN 時間精準度 (振盪器) 不比 GPS,  但是, NTN 對應的低軌衛星在數量與高度上都更有優勢,  有機會做到更好的定位誤差. 來自:  https://www.ultrontek.com/news_detail/5g-ntn-challenges-architecture-overview 如果比較對象是一般的基站或是地面通訊,  考慮到 NTN 衛星網路的特徵, 會為定位帶來以下問題: 1. 傳播延遲大很多 以 LEO 衛星常見高度範圍 (例如 300–1500 km) 來看,  就算只考慮高度, 單程傳播時間就是毫秒等級,  用 𝑡=𝑑/𝑐 粗估：300 km 約 1.0 ms, 而實際斜距會更長. 2. Doppler 會非常明顯 LEO 相對速度很大，所以 f_d≈(v/c)f_c, 粗估若 𝑣≈7.5 km/s, 在 2 GHz 約 50 kHz, 4.7 GHz 約 118 kHz (只是量級, 實際看軌道與仰角) 這會直接影響 matched filter / delay estimation 時的搜尋範圍與 tracking 難度. 3. 多衛星/多 beam 同頻干擾更容易變成主因 地面 OTDOA 的 PRS 已...

在前兩篇中, 不論是 SRS 或是 PRS 的定位框架, 我們主要討論的是以時間為基礎 (time-based) 的定位方法, 例如: OTDOA, RTT,  在這些方法中, 其核心概念都是將距離差轉換成時間差, 再由時間差 (多點或是單點) 推回裝置的位置資訊, 這類方法在遇到一個根本限制: 時間解析度直接受限於系統可用頻寬. 以 5G NR 的系統而言, 我們可以簡單估算一下: 假設系統頻寬為 100 MHz, 對應的時間解析度約為: 10 ns 乘上光速後, 我們可以得到距離的解析度為 3 公尺, 換句話說, 這種方法在原理上即不可能達成公尺內的定位誤差. 考慮到這樣的限制, PRS 在 Release 18 中, 加入了以相位 (phase) 的定位量測, 此方法稱為: Phase-based Measurement, 此量測包含了: Carrier Phase measurement Phase Difference between TRPs 其核心轉變在於, 我們不只是關心什麼時候收到 PRS 訊號, 也開始關心收到 PRS 的載波是什麼相位. 這個轉變, 使得定位精度的上限, 從頻寬 (e.g., 100 MHz) 轉向載波波長, 以 4.7 GHz 為例, 波長為 6.38 公分, 在此範圍內我們皆可看到相位的變化, 然而, 使用相位資訊進行定位也會有對應的問題, 考慮到相位變化隨波長周期性變化, 單一觀察到的相位將產生大量的重複解, 也因此, 在進行定位時, 實際上需要同時考慮時間, 相位, 甚至是強度資訊, 我們以下圖表示:   來自:  https://arxiv.org/abs/2209.01183 這張圖說明 Carrier Phase 在不同定位解法中所扮演的角色差異: 左側示意在角度式定位架構下, 來自同一 gNB 的多天線訊號. 其接收相位差可與到達角度 (AoA) 結合, 用以提升角度估計的解析度. 此時相位資訊主要作為空間量測的輔助維度. 右側則示意在時間式定位架構中, 多個 gNB 的到達時間 (ToA) 仍構成主要的定位幾何, 而載波相位則可用於細化距離估計, 降低時間量測受限於頻寬所帶來的誤差. 需要特別強調的是, Carrier Phase 本身並非獨立的定位方法, 而是一種高解析度...