Castle on a Cloud

在上一篇文章中, 我們介紹介紹了一些 SRS 的基本特性, 接下來, 我們要在兩方稍微延伸下 SRS 的介紹, 在一開始, 我們先比較一下 SRS 在 4G 和 5G 的差異,  接著, 我們將看一下 SRS 訊號如何在 5G NR 中輔助定位進行. 首先, 當我們討論 4G 和 5G 的差異時, 最直接想到的就是波束成型 (beamforming) 技術的引入,  雖說, 波束成型的增益主要反映在基地台端 (較大天線陣列), 但對於 UE 端, 也可以在波束管理的階段, 透過 DMRS 提供上行通道估測, 針對沒有被分配到通訊資源的 UE (或是對應於未分配資源的頻帶), UE 可以透過 SRS 訊號, 讓基地台進行上行的通道估測. 考慮到 UE 通常天線數較少, 在 SRS 中直接以 antenna port 作為設置單位, 根據規範, 一共有以下選擇: 1T2R, 1T4R, 2T4R, T=R (1T1R, 2T2R, 4T4R)  根據不同的天線配置, SRS 也會有相對應的設定, 值得注意的是, 這裡的 Tx/Rx 指的是由 UE 角度出發,  以 1T2R 為例, 代表 UE 的兩根天線一次使用一根進行傳送,  基地台透過分接收這兩根天線的訊號, 進行通道估計, 如下圖所示: 來自:  https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_SRS.html 更多的範例以及詳細的設定可以參考這一篇文章: https://www.sharetechnote.com/html/5G/5G_SRS.html 第二部分, 讓我們關心一下 SRS 在定位中的應用, 相較於 DMRS 參考訊號, SRS 的一個重要好處就是可以同時有多個基地台接收, 同時, 考慮到 SRS 的配置是由基地台給定, 並可在基地台間分享資訊, 因此, 偕同量測的基地台不只可以取得上行的訊號強度, 也可以取得 SRS 訊號到各基地台的時間差, 以 TDoA (Time Difference of Arrival) 定位, 若考慮到 1T2R, 1T4R 的 SRS 架構, 基地台端還可以估計 AoA (Angle of Arrival), 這些資訊都可以作為 UE 定位的輸入資訊, 以 UL-TDoA 為...

在 5G NR 的上行通道估測中, 我們有兩種參考訊號 (Reference Signal): DeModulation Reference Signal (DMRS) Sounding Reference Signal (SRS) 這兩種訊號都是由使用者裝置 (UE) 發出, 並由基地台進行量測, 其中, DMRS 被包含在上行的資料傳輸中 (PUCCH/PUSCH),  SRS 則提供使用者在上行資料傳輸之外, 進行通道估測的方法, 不屬於 PUCCH/PUSCH, 並可以提供多個基地台同時對同一個 UE 量測的方法, 如下圖左所示. Cha, Hyun-Su, et al. 5G NR Positioning Enhancements in 3GPP Release-18. arXiv preprint arXiv:2401.17594, 2024. SRS 的參考訊號在 4G LTE 時便已被定義, 但並不常被終端裝置所支援, 在 5G NR 中, 由於 beamforming 以及定位的需求, SRS 被重新提起並受到重視, 在目前的 5G NR SRS 定義中, 有下列三種傳輸方式: Full-band transmissions: 4G SRS 的傳輸方式, 基本上是分時多工進行傳輸 Frequency-hopping transmissions: 透過跳頻方式傳輸, 使基地台取得不同頻率的通道估計 Multi-user transmissions: 提供多個 UE 同時發送 SRS 並被量測的機制 SRS 訊號可以是週期性傳輸, 或是非週期性傳輸, 通常起始於基地台對 UE 裝置 RRC 層的設置, 起始 UE 發出 SRS 訊號. 我們先不考慮 SRS 跳頻量測與使用者多工的不同設置,  針對單一 UE, SRS 訊號表示如下:  來自:  https://telcomaglobal.com/p/5g-nr-srs-sounding-reference-signals 透過上圖, 我們可以看到單一 UE 的 SRS 訊號, 如何在一個 time slot 中被給定, 包含了在時間與頻率上的位置 (offset), 長度 (RB 個數) 與使用者的多工, 詳細的訊號產生方式可以參考 Matlab 的範例程式: h...

在開始介紹這次的 NCR 內容前, 我們先介紹另一個相似的概念: IAB, IAB 全名為 Integrated Access and Backhaul, IAB 也是 3GPP 針對 5G NR (特別是 mmWave 段) 提出的新技術, 其技術的示意圖如下: 來自:  https://www.rcrwireless.com/20200727/5g/iab-the-cost-effective-solution-to-quickly-expand-5g-mmwave-coverage-analyst-angle IAB 技術的提出, 很明顯地是在 5G NR 初始時對 mmWave 充滿期待的時期, 考慮到 mmWave 在空氣中的衰減快, 但擁有高通訊頻寬的特性, 就有人提出了這種以 mmWave 延伸 mmWave 的概念, 簡單來說, 就是把 mmWave 當作光纖使用, 用以作為延伸小基站間的連線, 而資料傳輸的斷點設在 DU 中間 (PDCP-RLC層), 如下圖所示: 來自:  https://nccnews.com.tw/202209/ch4.html 如果說 NCR 是 Amplify-and-Forwarding (AF) 的技術延伸, IAB 就是 Decode-and-Forwarding (DF) 的技術延伸, 一方面, DF 可以避免在多個基站轉傳過程中造成的雜訊放大, 另一方面, IAB 技術的接收端為特殊設計的小基站, 有較佳的計算能力, 以及穩定的電源供應, 可以負擔 DF 的需求. 考慮到 IAB 為 DU 內分割 (intra-DU) 的框架, 所有分支節點皆可視為原有 DU 的延伸, 當結點的階層數大於一時, 則會產生對應的樹狀結構, 並避免迴圈產生, 至於干擾, 考慮到 mmWave 的指向性波束以及 IAB 位置為預先規劃,  IAB 結點之間的干擾應該不嚴重, 或是以空間多工即可避免, 比較需要注意的反而是因為天線無法同頻收法所導致的資源分配問題, 在目前 IAB 架構中, 簡單的作法即是以分時多工的方式進行. 考慮到 mmWave 在目前 5G NR 中並不算太成功, 對應的 IAB 發展仍是有限,   在目前各式的 Use Case 中, 最引人注目的應該是空中基地台...

在之前的文章中, 我們介紹了 RIS 的功能, 對於通訊研究而言, RIS 是一個新穎也陳舊的概念, 新穎的地方在於: 透過被動反射, 我們可以改變通道的特性, 陳舊的地方在於: 類似的訊號增強概念, 我們之前在中繼器 (Relay) 中, 已經在 3G/4G 時代轉了一大圈, 最後並沒有被實踐. 也或許是因為這樣的原因, 3GPP 對於 RIS 實現並沒有特別熱衷, 但是, 仍然組成了一個研究團隊, 以 Repeater 的角度切入, 並引入控制的概念, 這也就是我們今天要介紹的: Network-Controlled Repeater. 相關 3GPP 文件為: TR 38.867 Study on NR Network-Controlled Repeater (NCR) 我們先以一張示意圖說明 NCR 的概念: 在 NCR 的架構中, Repeater 受控於 gNB (基地台), 並有兩條路徑: Control Link: 基地台對應的控制信令, 由 NCR-MT 接收. Backhual/Access Link: 轉傳/增益的通道, 將訊號增強後傳至 UE. 在初始的討論中, Control Link 和 Backhual/Access Link 使用相同的頻帶, 同時, Control Link 透過 Uu Interface 進行控制,  因此,  NCR 對基地台的角色接近於一個特殊的 UE, 另一方面, Backhual/Access Link 可以視為在 RIS 構架下, BS-RIS, RIS-UE 這兩條直視路徑的無線通道, 在 3GPP NCR 的框架中, 轉傳單元 (NCR-Fwd) 類似於 RIS 反射板的角色, 但是不同於一般 RIS 為被動元件, NCR-Fwd 提供 Amplify-and-Forwarding (AF) 的功能, 換句話說, NCR-Fwd 會將接收到的訊號增強後, 再轉傳至 UE. 這樣的框架, 的確類似於 3GPP 之前對 Relay 的討論, 在類似於 RIS 的部分則在於對 NCR 加入的 beamforming 功能, 透過 beamforming 技術, NCR 可以減低一些 AF 遭詬病的雜訊放大問題, 同時, 也可以更有效的增強使用者接收訊號的強度....

在 2023 年的最後一天, 也就把這一系列文章做個總結吧, 近來幾個月, 因為工作的堆積與忙碌, 許多手邊待看的文章都是半完成品狀態, 尚未系統性的整理, 時間的缺少, 與缺乏整理, 多少也影響了撰寫的文章品質... 新的 2024 年, 雖說預期應該是越來越忙碌,  但還是希望可以分享更多有趣的無線通訊內容. 雖然, 在 blogger 文章中, 盡量不提演算法部分的內容, 不過對於通訊問題來說, 在進行問題討論前, 最重要的兩件事就是: 1) 定義模型: 描述觀察值與待測物之間的關係 2) 定義情境: 給定位提的討論設定, 提供公平比較的基準 在上一篇文章中, 我們說到網路節能的目標情境, 雖說不太完整, 但至少有些方向, 在這一篇文章中, 我們就來討論一下基地台的能源消耗模型. 首先, 為什麼是基地台? 如前所述, 無線接取網路佔 80% 能源消耗, 而基地台又是其中的要角, 所以, 當討論能源消耗模型時, 自然是從基地台下手. 至於此能源模型的定義, 則是由 3GPP TR 38.864 進行, 其文件名稱為:  “Study on network energy savings for NR (Release 18)” 來自: MTK 吳威德博士演說 在 3GPP 的能源消耗模型中, 按照慣例, 不會給每個參數明確數值, 但是, 我們可以看到, 有哪些因子會影響基地台的能源消耗: 其中, 我們先看功率項, 包含: 靜態 (static), 天線 (ante), 資源分配 (joint), 靜態功率可以想像是基地台開機就需要的作工, 包含: 冷卻, 電源供應, 等. 天線功率則包含每一組天線的射頻模組功耗, 包含, 放大器, 振盪器等, 最後, 資源分配相關功率則包含了使用的頻譜大小, 以及頻譜功率密度. (*PSD = Power Spectral/Spectrum Density) 此三個項次, 又可以對應於四種節能的方式: 空間: 漸少活躍的天線個數, 天線功率對應的 Sa 下降. 時間: 有一段時間不傳資料, 等校的 Sa 下降. (若是關機可以省下靜態功率) 傳輸功率: 減少天線的發送功率, 頻譜功率密度對應 Sp 下降. 頻寬: 減少使用的通訊頻寬, 頻譜大小對應的 Sf 下降. 透過上述能源使用模型, 由於 Sp 和 Sf 都...

在前述的文章中, 我們介紹了能源節省的各種面向, 然而, 針對一個工程問題, 我們首先要定義的是如何評量節能效率, 換句話說, 我們要定義在甚麼情境下進行節能效率的評估, 我們以兩份 ITU 文件作為參考: ITU-R M.2410-0, ITU-R M.2412-0 在第一份文件 (ITU-R M.2410-0), 名稱為: "Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s)", 定義了 IMT-2020 (5G NR) 中, 對於無線技術 (Radio Interface Technology, RIT) 所需要作出的評估, 其中, 關於能源效率的部分定義於 4.9 Energy efficiency, 以下是原文: Network energy efficiency is the capability of a RIT/SRIT to minimize the radio access network energy consumption in relation to the traffic capacity provided. Device energy efficiency is the capability of the RIT/SRIT to minimize the power consumed by the device modem in relation to the traffic characteristics. Energy efficiency of the network and the device can relate to the support for the following two aspects:     a) Efficient data transmission in a loaded case;     b) Low energy consumption when there is no data. Efficient data transmission in a loaded case is demonstrated by the average spec...

除了 3GPP 定義了網路節能的框架外, O-RAN 組織也定義了對應的節能功能, 稱為 Network Energy Saving (NES), 在 O-RAN 定義的架構下, NES 又可以分成以下的應用案例: Carrier and Cell Switch Off/On → 負載低時, 不影響 QoS 下, 關閉 Carrier 或是 Cell RF Channel Reconfiguration Off/On → Beamforming 下, 關閉部分 RF 陣列 Advanced Sleep Mode Selection → O-RU, O-DU, O-CU 的 Sleep Mode 選擇 O-Cloud Resource Energy Saving Mode → O-DU, O-CU 計算資源的能源節省 在 O-RAN 的 Use Case 中, 多數的功能都在 3GPP 的定義功能下, 但是相比 3GPP 的大基站節能框架, O-RAN Use Case 更著重在小基站的環境, 較不著重在底層無線傳輸的調整, 而著重在無線的設定調整, 因此, 在前兩個子項中, O-RAN 定義了不同層級的 ON/OFF 節能, 從 Cell, Carrier, RF array, 從大到小, 提供不同精細度的調整. 第三個子項, 則對應時間上的節能, 並實作於 3GPP 的框架中, O-RAN 扮演的角色像是不同基站的協調者, 同時滿足接取與解能的需求. 第四個子項, 則是目前看到 O-RAN 特有的項目, 透過 O-Cloud 與虛擬化技術, O-RAN 還可以調整 O-CU/O-DU 的計算資源, 提供計算資源上的節能成果. 針對 NES 的功能, O-RAN 也定義了對應的統計指標 (KPI), 包含: O-RU specific KPIs: Energy efficiency and power consumption  O-CU/O-DU hardware & software/ O-Cloud software & platform KPIs 在 O-RAN 所定義的 KPI 中明顯分成兩項:  RU 代表硬體的無線功率節省, O-CU/O-DU 代表的軟體耗能, 基於 KPI 的定義, O-RAN 也提供了資訊交換的流程...