Castle on a Cloud

Massive MIMO 技術主要藉由多個傳送天線, 利用通道在空間中不同位置上的特性, 抑制使用者所收到的訊號干擾, 並提高接收端的訊號品質, 一般來說, Massive MIMO Beamforming 可分成兩類: 數位 (codebook-based): 透過預先量測的通道特性, 透過選擇不同 pre-coder 來達成使用者間訊號的干擾分離. 此技術較常用於 sub-6 GHz 的通訊規範. 類比 (phase shifter): 通常會合上述數位 Beamforming 一起實作, 成為混合 (hybrid) 架構, 在此架構下, 天線被分成數組, 每一組先藉由天線的相位調整 (phase shifter), 形成指向性, 組間再以數位方式提供不同使用者優化. 此技術可降低硬體取樣的成本, 通常用於 mmWave 的環境. 不論上述哪一種 Beamforming 技術, 對於 O-RAN 而言, 是從一個比較上層的角度看待, 最佳化的目標為 Beam 的選擇, 因此, 在此問題中, 可操作的變數包含: 天線場型的水平角(Azimuth), 垂直角 (Elevation), 以及變化的角度區間, 以及所使用的波束寬度 (beamwidth) 以及每一波束的傳送功率. 值得注意的是, 在 O-RAN 架構中,  Massive MIMO 的功能實作於 RU (Radio Unit), 如下圖所示: 來自:  https://www.techplayon.com/o-ran-fronthaul-spilt-option-7-2x/ 在圖中, 我們可以看到 Beam 的指向與控制, 都在 RU 中進行, 然而, RE (Resource Element) Mapping 和 Scheduling 都在 DU 中進行, 因此, 若是要根據排程結果, 提供使用者即時的 Beam Allocation, 則需要 RU 和 DU 之間的緊密合作.

在通訊系統中, 量測訊號 (RSRP, RSRQ, SINR) 主要的用途就是用來進行換手, 此功能從 2G 系統就被實作, 並隨著更多通訊技術的發展而增加, 在 TS 3GPP TS 38.331 中定義了 5G 網路中, 以下和換手與量測報告的相關驅動事件: Event A1 (Serving becomes better than threshold) Event A2 (Serving becomes worse than threshold) Event A3 (Neighbor becomes offset better than SpCell) Event A4 (Neighbor becomes better than threshold) Event A5 (SpCell becomes worse than threshold1 and neighbor becomes better than threshold2) Event A6 (Neighbour becomes offset better than SCell) Event B1 (Inter RAT neighbour becomes better than threshold) Event B2 (SpCell becomes worse than threshold1 and inter RAT neighbor becomes better than threshold2) 其中, A 系列的事件對應於相同的 RAT (例如: 4G, 5G, etc), B 系列的事件, 則對應於 RAT 之間 (inter-RAT) 的換手,  在各事件的描述中, 以下為一些簡寫的說明: special cell (SpCell): 主要的服務基地台 secondary cell (SCell): 次要的服務基地台, 提供 CA (Carrier Aggregation) 功能 在各項驅動事件中, threshold 為針對事件的一致性定義, 針對每一事件, 我們都可以定義其對應的數值, offset 則是針對每一個基地台定義, 其數值可以為正或為負, 各項數值的物理意義與定義範圍顯示如下表: 在所有的事件中, 我們可以依照其驅動條件分成兩類: 絕對數值事件: A1, A2...

對於定位而言, 量測資訊是必要的資訊, 不論是 UE 發起的量測, 或是, NRPPa 中由基地台進行的量測皆是, 在 LTE/ NR 的系統中, Measurement Report 一詞專指 UE 進行的量測, 在舊有的系統中, Measurement Report 主要作用是換手的決定, 透過鄰近基地台的訊號量測, Measurement Report 可以決定換手的事件 (Event), 這部份我們有機會再說明. 考慮到 Measurement Report 和換手 (建立連線) 的密切關係, Measurement Report 的設定在 RRC (Radio Resource Control) 層定義, 針對已建立連線 (RRC_CONNECTED) 的 UE, 可以進行量測的設置, 因此, 對於閒置 (idle) 的 UE, 必須先建立 RRC 連線才能設置, Mesaurement Report 的參數設置在 RRCConnectionReconfiguration 中設置, (並沒有在初始 RRC 連線時設置, 因為當時 UE 並非 RRC_CONNECTED, RRCConnectionSetupComplete 之後狀態才變成 RRC_CONNECTED), 其建立連線的流程如下圖所示: 因此, Mesaurement Report 的設置是在 UE 成功 attach 之後, 此時, Measurement Report 的設置 (measConfig) 就包在 RRCConnectionReconfiguration 中, 透過 serving eNB 傳給 UE, 其封包格式如下圖所示: 在圖中, 我們可以看到 measConfig 依附於 RRCConnectionReconfiguration, 在這個設置的範例中, measConfig 第一個子項目為: MeasObject, MeasObject 定義了 UE 要進行量測的目標,  在這邊的設置會隨著不同的網路特性改變: 同頻帶, 不同頻帶, 同系統, 不同系統, 必要的時候還要設置 Measurement Gap, 使 UE 暫離通訊服務進行量測, 透過告知 UE 這些量測的參數, UE 就可以依序填回量測的結果, 進行 Measureme...

在研讀完 5G 的定位流程後, 我們來進一步看定位時所需要的量測資訊, 在這篇文章中, 我們先專注在 NRPPa 的量測資訊, 考慮到 NRPPa 是由 gNB 進行量測, 其攜帶的資訊較為簡單, 在整體定位流程中, 交換的資訊如下: 在 NRPPa 中, 所定義的交換資訊可以分成 2 類:  控制/輔助資訊: 提供定位的發起, 輔助資訊 (例: gNB 的設置) 和定位流程相關: E-CID (訊號強度), OTDOA (下行), UL-TDOA (上行) 為了取得量測的資訊, 除了要決定那些基地台進行量測, 這部分通常由一個 ANR (Automatic Neighbour Relation) 功能決定, 還需要決定量測的時機, 以及要量測的資訊, 關於量測的時機, 可以分成按需求進行量測, 或是週期量測, 其定義如下表: 在表格中, 我們可以看到不同的參數區間, 其中, 週期回報的時間區間可以從 120ms 到一小時, gNB 越常進行量測, 就可以得到越精確的定位結果, 也可以針對使用者進行追蹤等演算法改進, 但同時犧牲的就是 gNB 能來傳送資料的時間, 因此, 此數值應在定位需求與網路效能間取得平衡. 在回報的資訊部分, 則是按照 TRP 回報, TRP 為 TRansmission Points 的縮寫, 可以想像是小基地台指向性天線 (sector antenna), 如果一個基地台有多個天線, 則可以透過 TRP ID 和 Cell ID 區分, TRP 回報的資訊內容, 包括: AoA (角度), RSRP (訊號強度), RTOA, Rx-Tx Diff (時間差), 顯示於下表:

在 上一篇文章 中, 我們介紹了在 5G 下的標準定位流程, 其中, 包含了取用使用者量測資訊的 LPP 以及取用基地台資訊的 NRPPa, 在這篇文章中, 我們將著重在系統端定位的流程, 也就是透過 NRPPa 定位的資料交換流程. 在 3GPP 定義的定位框架中, 透過基地台量測定位資訊是最晚被完成的部分, 也因此, 在 5G NR 中並沒有複用 LTE 的對應框架 (LPPa), 而定義了新的定位協定 (NRPPa), 透過基地台進行定位的困難有兩個: 量測的目標: 不同於下行的量測, 可以讓 UE 量測基地台的廣播訊息, 上行的通道量測需要 UE 廣播訊號讓基地台進行量測 那些小基地台進行量測: 在 LPP 架構下, 給予 UE 一量測列表, UE 量測後填入, 考慮到 UE 有定期量測需求, 排定 UE 對周遭基地台量測較容易, 列表也可以較寬鬆, 然而, 當基地台進行量測, 則會影響該基地台所有的使用者, 占用大量系統效能  考慮到這兩點限制, 上行定位框架的實現, 就花了比較多時間討論, 然而, 上行定位架構可以提供系統主動定位的機會, 適合小基地台同頻布建下, 即時裝置定位/追蹤的應用情境, 我們以 UL-TDOA 為範例, 其定位流程圖如下: 以下為各流程的說明: 先確定 Serving gNB 的設定 透過 LPP 確定 UE 的能力 向 Serving gNB 發出資訊需求 Serving gNB 設定 UE 的 SRS (Sounding Reference Signal) 將 SRS 設定回覆 LMF LMF 發起定位資訊量測 啟動 UE 開始進行 SRS 傳送 回覆 LMF 設定結果 指定 Neighbor gNB 進行量測 量測目標 UE 的 SRS 訊號  將量測結果回報至 LMF LMF 進行定位後結束定位流程  其中, SRS 訊號即是 UE 廣播發出, 用以進行定位量測的訊號, 此訊號有不同的 pattern, 使得同時可以對多個 UE 進行上行定位, 在設定 UE 的 SRS 訊號後, 須把此設定通知進行量測的小基地台, 為了減少資源的使用, LMF 只會通知部分的(鄰近)小基地台進行量測, 為了決定誰是鄰近小基地台, 這裡就需要 ANR (Automatic Neighbour Relation)...

在 上一篇文章 中, 我們介紹了 5G 架構下定位相關的協定, 以及其實現的架構, 若我們考慮 LMF-based 的定位框架, 可以按照資料收取的角色, 進一步分成兩類: UE-asssisted, LMF-based: 由 UE 進行量測, 資料回傳透過 LPP NG-RAN Node assisted: 由 gNB 進行量測, 資料回傳透過 NRPPa 我們接下來將分別對此兩個架構進行介紹. 首先, 我們從定位需求的發起方說起, 在 5G NR 的架構中, 有三個定位發起者: UE, AMF, GMLC (外部需求), 所有的定位需求, 將送到 AMF (LTE 中的 MME) 發動定位的量測需求, 針對以 UE 為基礎的量測流程, 覆用了原本 LTE 的 LPP (LTE Position Protocal) 定位協定, 對於以 gNB 為基礎的定位量測, 則定義了 NRPPa (NR Position Protocal annex) 協定, 這樣的設定有其歷史因素, 畢竟 LPPa (NRPPa) 的前身, 在 LTE 框架定義時, 一直未被完整實作, 另一方面, 考慮 5G NR 中新增了許多不同的無線介面, 為此擴增定位量測資訊也算是合理, 在進行量測後, AMF 將量測的回報回傳至 LMF, 進行定位計算, 其流程如下圖: 以下為整體定位流程的解說: 發起方: UE, AMF, GMLC (圖中 5GC LCS Entities) AMF 通知 LMF 進行定位, LMF 發起量測需求 確認 UE 量測能力 提供 PRS 訊號的 Pattern (同頻時 RPS 會分開) UE 進行 OTDOA/RSRP 等定位相關量測 gNB/UE 進行 下行/上行 訊號量測 上行訊號量測: NRPPa 下行訊號量測: LPP LMF 回報定位結果 回報結果給 AMF, GMLC (圖中 5GC LCS Entities) 對於 LPP 的定位資料量測, 和之前關於 Measurement Report 的設定類似 (參考 此文 ), 大致可以分成同頻 (小基地台環境) 或異頻 (通常是大基地台) 設定, Serving gNB 必須先給 UE 量測的列表, 以及排定量測時間 (異頻量測無法進行通訊), UE 進行量測後, 依據列表的順序, 回填量測資訊並回報給...

在之前的文章中, 我們介紹了 5G NR 的新功能, 可以參考以下的介紹: LTE筆記: 5G 定位的應用與演進 ~1 LTE筆記: 5G 定位的應用與演進 ~2 LTE筆記: 5G 定位的應用與演進 ~3 在接下來這一系列文章中, 我們將敘述定位框架與流程, 並探討在 5G NR 中可以取得的定位量測資料. 在 5G NR 中, 定位可以分成三種: UE-based: UE 進行量測, UE 進行定位 UE-assisted: UE 進行量測, 核網 (LMF) 進行定位 RAN-assisted: RAN 進行量測, 核網 (LMF) 進行定位 不同的定位框架, 會對應到不同的量測資訊與定位方法, 如下表所示: 3GPP TS 38.305 -  Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in NG-RAN 其中, 資料平面 (User Plane) 的定位則是和 4G 一樣使用 SUPL (Secure User Plane Location), 在控制平面 (Control Plane) 我們將著重於 UE-assisted 與 RAN-assisted 兩個架構, 並針對此兩個架構說明其中流程. 在 5G NR 架構下, UE-assisted 和 4G 一樣透過 LPP 進行, RAN-assisted 則透過新定義的 NRPPa (取代 LPPa) 進行, 在此架構下, 定位需求可以是由 UE 或是外部使用者 (透過 GMLC) 發起, 這些定位需求將透過 AMF (也就是 4G 中的 MME) 送達 LMF, 並由 LMF 進行後續整體定位流程的主導, 以及定位結果計算.