NR在60 GHz定位過程的隱藏節(jié)點規(guī)避方法

張文璐，朱振杰，崔琪楣，陶小峰

(北京郵電大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100074)

0 引言

近年來全球定位系統(tǒng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、室內(nèi)地圖、共享單車等基于位置的新型服務(wù)不斷涌現(xiàn)，高精度定位被認為是自4G之后移動通信系統(tǒng)必不可少的泛在服務(wù)之一。精確位置信息的獲取還有助于增強5G網(wǎng)絡(luò)在位置感知多媒體數(shù)據(jù)傳輸、基于位置的通信安全等方面的服務(wù)性能[1]。在5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景中，精確的位置信息有助于提高無線資源的使用效率，提供準確的資源調(diào)度和鏈路適應(yīng)；在高度動態(tài)場景中，可以使用定位信息預(yù)測所需的無線資源；在多跳無線網(wǎng)絡(luò)中，對無線節(jié)點進行定位可以降低功耗。定位技術(shù)的應(yīng)用范圍也從室內(nèi)區(qū)域逐漸進展到大范圍的衛(wèi)星覆蓋。對于未來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT，industrial internet of things)等垂直行業(yè)應(yīng)用場景和用例，位置信息更為重要[2]。

為了實現(xiàn)高精度和高效率的目標，5G NR Rel-16對定位技術(shù)進一步深入研究。在定位系統(tǒng)中，定位技術(shù)通常是基于特定類型的度量來定義，基于時間的技術(shù)利用射頻信號的傳輸時差來計算收發(fā)器之間的距離，如觀測到達時差(OTDOA，observed time difference of arrival)、上行到達時差(UTDOA，uplink time difference of arrival)、多小區(qū)往返時間(Multi-RTT，multiplecell-round trip time)；基于角度的技術(shù)利用發(fā)射天線形成的信號和接收天線之間的相位差異在計算收發(fā)器之間的角度，如下行離開角(DL-AoD，downlink angle-of-departure)、上行到達角(UL-AoA，Uplink angle-of-arrival)；混合的技術(shù)利用時間和角度聯(lián)合估計終端的距離。除了上述依賴于RAT的解決方案，還存在一些其他的解決方案，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，global navigation satellite system)和氣壓等技術(shù)[3]。雖然全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)是目前最流行的室外定位技術(shù)，但在遮擋物較多的城市地區(qū)，如密集的城市環(huán)境、隧道和地下停車場，衛(wèi)星信號的衍射會造成較大的定位誤差[4]。因此，深入研究基于RAT的定位技術(shù)仍是非常必要的。

當(dāng)前的定位技術(shù)大多工作于在較低頻段，低頻段的頻譜資源十分緊張，難以滿足高精度定位的要求，因此，擁有近7 GHz帶寬的60 GHz毫米波頻段受到了極大的關(guān)注[5]。更多的帶寬資源可以提供更高的測量精度，從而極大降低NR定位技術(shù)的定位誤差[6]。相比低頻段的定位技術(shù)，60 GHz毫米波的時間分辨率更高、多徑分辨能力更強，可以實現(xiàn)厘米級別的定位[7]。此外，毫米波頻段的波束賦型技術(shù)可形成高度定向的收發(fā)波束，有效規(guī)避潛在的干擾，緩解毫米波頻段的高路徑損耗的問題[8]。但是，由于5G網(wǎng)絡(luò)是多網(wǎng)異構(gòu)共存的，存在眾多不同無線接入技術(shù)(RAT，radio access technology)的設(shè)備，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、物聯(lián)網(wǎng)等，即使NR-U設(shè)備采用先聽后說(LBT，listen before talk)接入60 GHz無線信道，仍無法有效規(guī)避隱藏節(jié)點[9-10]。隱藏節(jié)點會干擾定位信號的傳輸，而無法被終端與基站端得知，嚴重影響了NR-U設(shè)備的定位性能[11]。

針對上述問題，本文提出在NR-U設(shè)備的定位過程中實時動態(tài)調(diào)整定位信號的空間關(guān)系，使其發(fā)射方向繞過潛在的隱藏節(jié)點，以提升定位信號的傳輸可靠性，進而實現(xiàn)高精度的定位。具體來說，在定位信號的測量過程中，若某定位信號的接收信噪比很低，則更新其準共址(QCL，quasi co-location)關(guān)聯(lián)的參考信號為接收質(zhì)量最佳的信號，使該定位信號朝向信道狀況較好的方向定向發(fā)射。并且，本文針對不同的實際情況設(shè)定了不同的調(diào)整方案，在各種信道狀況下均能實現(xiàn)精確的上行定位，有效降低了隱藏節(jié)點對定位性能的影響。本研究工作具有較強的現(xiàn)實意義與應(yīng)用價值，為NR-U設(shè)備在60 GHz的網(wǎng)絡(luò)部署提供了理論依據(jù)。

1 問題分析

本節(jié)以上行定位參考信號(SRS-pos，sounding reference signal-positioning)的傳輸與探測過程為例，分析60 GHz非授權(quán)頻段的特性對NR定位性能的影響。在SRS-pos的上行傳輸過程中，不同地理位置的多個發(fā)射接收點(TRP，transmit-receive point)需要同時進行波束掃描，以準確探測到該UE發(fā)送的SRS-pos并進行測量。由于FR3頻段(52.6～71 GHz)的波束寬度更窄且波束數(shù)量更多，TRP探測SRS-pos時需要持續(xù)地波束切換，導(dǎo)致上行定位過程的時延開銷較大。在3GPP RAN1#106e次會議中，Ericsson與Vivo等公司提出，由于UE的波束數(shù)量遠小于TRP端，考慮讓UE執(zhí)行波束掃描來傳輸SRS-pos，以減小TRP端探測SRS-pos的時延開銷[12]。但由于SRS-pos通常為周期性配置的，UE不僅要等待SRS-pos的傳輸機會，還需要持續(xù)重復(fù)傳輸以便讓足夠數(shù)量的TRP能探測到它，因此定位時延仍無法減小[13]。尤其在終端部署密集的場景中，TRP仍需要進行波束掃描來提升上行覆蓋，滿足更多終端的定位需求。由此可見，60 GHz上行定位過程中SRS-pos傳輸與探測的時延問題無法有效緩解。上述時延問題會加劇60 GHz的隱藏節(jié)點問題，在長時間的SRS-pos傳輸與探測過程中，某些SRS-pos的傳輸鏈路上有可能出現(xiàn)新的隱藏節(jié)點，嚴重影響終端定位的有效性和可靠性。因此在60 GHz系統(tǒng)亟需設(shè)計新的定位信號傳輸機制，緩解隱藏節(jié)點對定位性能的影響。

目前5G NR中定位參考信號的空間關(guān)系配置是基于上下行信道互易性的，將上行定位信號QCL關(guān)聯(lián)的參考信號設(shè)置為特定的下行參考信號，如CSI-RS/SSB/PRS等，使得UE能直接利用該下行參考信號的接收波束來發(fā)送對應(yīng)的上行定位信號[14]。然而，實際的傳輸環(huán)境并不具有理想的上下行信道互易性，尤其對于60 GHz非授權(quán)毫米波頻段，由于TRP端的波束數(shù)量通常遠大于UE側(cè)的波束數(shù)量，且TRP側(cè)的波束寬度遠遠窄于UE側(cè)的波束寬度，造成了嚴重的上下行波束不對稱問題[15]。詳細示例如圖1所示，TRP的下行波束覆蓋范圍內(nèi)沒有干擾節(jié)點，使得UE測得該下行波束發(fā)射的參考信號的質(zhì)量較好，但對應(yīng)方向的上行波束的覆蓋范圍內(nèi)存在干擾節(jié)點，因此不能通過下行參考信號的接收質(zhì)量來推測對應(yīng)波束方向的上行信道狀況。綜上所述，基于下行波束的測量結(jié)果來配置上行信號的空間關(guān)系的方法在60 GHz頻段不適用。

圖1 60 GHz上下行波束不對稱示例

基于上述問題，需要對60 GHz非授權(quán)頻段的定位參考信號設(shè)置新的空間關(guān)系配置方案，基于基站端對上行參考信號的測量結(jié)果來配置上行定位信號的QCL關(guān)系。此外，還需要考慮實時調(diào)整定位信號的QCL關(guān)系來規(guī)避隨時可能出現(xiàn)的隱藏節(jié)點，增加定位信號的傳輸可靠性，提升NR終端在60 GHz的定位精度。

2 系統(tǒng)模型

2.1 定位系統(tǒng)建模

以UTDOA定位機制為例，通過測量UE發(fā)送的SRS-pos到附近某兩個TRP的時間差，來計算UE到這兩個TRP的距離差[16]。若基站間完全同步，核心網(wǎng)的位置管理功能(LMF，location management function)實體依據(jù)兩個TRP上報的SRS-pos到達時差計算出UE到這兩個TRP的距離差，則UE必定位于以這兩個TRP為焦點，以其距離差為定差的雙曲線上。如圖2所示，3個或3個以上的gNB就能形成兩條以上的雙曲線，這些雙曲線的交點就是估計出的UE位置[17]。

圖2 TDOA定位機制

第i個gNB/TRP距UE的水平距離被表示如下：

(1)

由于UE的高度相比于基站可以忽略不計，估計UE的水平坐標Xe(xe,ye)如下：

(2)

其中:(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)為已知的gNB/TRP的水平坐標位置。將上式以矩陣形式表示如下：

BXe=C

(3)

其中:B、C、Xe被定義如下：

(4)

(5)

(6)

由線性最小二乘法得到UE的位置如下：

(7)

最終定位精度由下式的定位誤差(PE，positioning error)進行評估，(xr,yr)為UE的實際位置：

(8)

2.2 定位誤差分析

當(dāng)主基站指示UE激活某周期性配置的SRS-pos資源集時，UE在每個傳輸周期的固定傳輸時刻同時朝位于不同地理位置的多個TRP發(fā)射SRS-pos信號。由于TRP不知道UE的方位，其在個不同方向的波束上進行掃描以探測該UE發(fā)射的SRS-pos。UE到TRP的探測波束之間的傳輸路損為：

(9)

(10)

(11)

其中：i=[1,…,M],θI為UE與TRP的波束i之間的夾角。α隨機分布在[1-10]，表示該時刻的信道衰落參數(shù)。

設(shè)某個傳輸周期內(nèi)，TRP測量得到的SRS-pos平均接收信噪比如下：

(12)

設(shè)置SNRlimit為TRP能探測到定位信號的最小信噪比，若接收信噪比小于SNRlimit，則TRP認為UE端由于LBT失敗未能成功發(fā)射SRS-pos，因此在本周期內(nèi)不進行定位信號的測量。在SNRmax≥SNR≥SNRlimit的情況下，即該SRS-pos能成功發(fā)射且信號不失真的前提下，SNR值越小，TRP的測量誤差值越大。由于在60 GHz非授權(quán)頻段中，即使SRS-pos發(fā)射前的LBT成功通過，但隱藏節(jié)點仍可能干擾SRS-pos的傳輸鏈路。以UL-TDOA機制為例，由于gNB/TRP知道每個周期內(nèi)SRS-pos的發(fā)射時刻，根據(jù)它們在每個周期內(nèi)探測到SRS-pos的時間可以得出SRS-pos的傳輸時間，但隱藏節(jié)點會導(dǎo)致TRP探測到SRS-pos的時刻推遲，其上報給LMF的傳輸時間的誤差值變大。TRP測量時差的標準差與信號帶寬和信噪比的均方根成反比[18]，如下式所示：

(13)

其中:k為一固定的比例常數(shù)，B為信號帶寬。

由式(1)推出UE距TRPj與TRPi的水平距離差與三維空間距離差的關(guān)系如下：

(14)

上式的水平距離差無法精確估計,只能被約束在限定范圍內(nèi)。推算出水平距離差的最大值如下：

(15)

其中：ri,j為TRPi與TRPj之間的水平距離，Δ(dj-di)=c·Δ(tj-ti)。由于TRP測量出的傳輸時間只可能大于實際傳輸時間，上式中的di+dj可直接計算為c·(ti+tj)。因此，只要網(wǎng)絡(luò)側(cè)知道TRP間的空間位置關(guān)系和每個TRP的接收SNR值，結(jié)合式(13)和式(15)即可成功推算出TRP間水平距離差的最大誤差值。

將圖2中的空間結(jié)構(gòu)映射到二維平面，如圖3所示，菱形區(qū)域為最大定位誤差所限定的UE位置估計區(qū)域，粗線為最大的定位誤差。可看出，最大定位誤差PEmax、TRPj與TRPi的水平距離差最大誤差值Δ(rj-ri)max、TRPj與TRPm的水平距離差的最大誤差值Δ(rj-rm)max可抽象為一個封閉三角形的三條邊。

圖3 定位誤差估計示例

由于網(wǎng)絡(luò)側(cè)知道TRP間的空間位置關(guān)系，因此網(wǎng)絡(luò)側(cè)也可知TRPj與TRPi、TRPm所形成的水平面夾角α。最大定位誤差值PEmax可以被推算為：

Δ(rj-rm)×cos(180°-α)=Δ(rj-ri)2+Δ(rj-rm)2+

2×Δ(rj-ri)×Δ(rj-rm)×cos(α)

(16)

3 定位信號的隱藏節(jié)點規(guī)避方法

3.1 定位信號的空間關(guān)系配置

定位參考信號(PRS/SRS-pos)的相關(guān)參數(shù)被高層配置為不同的級別類型，包括定位頻率層(positioning frequency layer)級別、資源集(PRS/SRS-pos resource set )級別和資源(PRS/SRS-pos resource)級別。其中，定位頻率層級別的參數(shù)包括3個，分別指示載波間隔、循環(huán)前綴和頻域位置參考點。資源集級別的參數(shù)包含這個資源集的ID、周期、重復(fù)因子、時間間隔等，同一資源集內(nèi)多個資源應(yīng)具有相同的時域行為，即相同的傳輸時刻和傳輸周期。資源級別的高層參數(shù)包括該資源的ID、資源映射所需的一些參數(shù)和該資源的QCL關(guān)系等，因此，同一資源集中的多個資源可以配置為不同的QCL關(guān)系。

若兩個天線端口具有QCL關(guān)系，則認為從其中一個端口獲得的信道估計結(jié)果可以用于另一個端口。NR相比于LTE，新增了QCL-TypeC和QCL-TypeD兩種類型，其中QCL-TypeD用于配置參考信號的空間接收參數(shù)，輔助接收端的波束賦型[19]。具體來說，若兩個參考信號被配置為QCL-TypeD關(guān)聯(lián)，則接收端可以用同一個波束接收這兩個參考信號。現(xiàn)有機制基于UE對多個CSI-RS/SSB的信道狀態(tài)估計，將質(zhì)量最佳的CSI-RS/SSB配置為與SRS-pos具有QCL-TypeD關(guān)聯(lián)，使得UE使用接收該CSI-RS/SSB的波束發(fā)射SRS-pos。

NR設(shè)備的上行定位過程中，UE與服務(wù)gNB/TRP之間的信令交互如圖4所示。當(dāng)需要對某UE定位時，網(wǎng)絡(luò)側(cè)的位置服務(wù)器(LMF)向主基站發(fā)送位置請求信令，由主基站對UE進行SRS-pos相關(guān)參數(shù)的配置。配置完成后，LMF向不同地理位置的多個gNB/TRP發(fā)送定位激活請求。收到定位激活請求的gNB/TRP以波束掃描的方式同時探測SRS-pos，并將其測量結(jié)果反饋給LMF，最終由LMF基于定位算法計算出UE的位置。

圖4 SRS-pos傳輸與探測過程

本文基于60 GHz的信道特性，對原SRS-pos的傳輸與探測過程進行了改進。如圖4中的虛線所示，TRP基于某個SRS-pos傳輸周期內(nèi)的測量結(jié)果，調(diào)整質(zhì)量較差的SRS-pos資源的空間關(guān)系，將其QCLTypeD關(guān)聯(lián)的參考信號調(diào)整為測量結(jié)果最佳的SRS-pos，使其傳輸方向避開潛在的隱藏節(jié)點。

3.2 定位信號的空間關(guān)系調(diào)整算法

設(shè)某SRS-pos資源集中包含N個SRS-pos資源，其中1≤N≤16，具體N值由服務(wù)gNB基于UE的能力進行配置。本算法的應(yīng)用實體為單個gNB/TRP，其探測到的SRS-pos資源對應(yīng)UE在限定角度內(nèi)的多個上行波束。設(shè)該固定角度內(nèi)的SRS-pos資源的數(shù)量為K，分別對應(yīng)相同或不同的上行波束，且1≤K≤[N/3]。在UE傳輸SRS-pos的同時，每個TRP都應(yīng)用如下的算法對其能探測到的K個SRS-pos資源進行空間關(guān)系調(diào)整。

算法1：SRS-pos的空間關(guān)系調(diào)整算法

初始化：初始化SRS_SNRlimit；

傳輸周期循環(huán)：

1)for l=1,L do:

2)初始化,SRS_SNRmax=SRS_SNRlimit,初始化K維向量bitmap[], 初始化maxId=0;

3)fori=1,Kdo:

4)if SRSi_SNR>SRS_SNRlimit:向bitmap中添加比特值1; if SRSi_SNR>SRS_SNRmax:設(shè)置SRS_SNRmax=SRSi_SNR;更新maxId=i;

else:

向bitmap中添加比特值0;

5)end for

6)if 0 not in bitmap:

continue;

elif 0 in bitmap and 1 in bitmap:

更新0對應(yīng)的SRS-pos resources的準共址參考信號為SRS_SNRmax對應(yīng)的SRS-pos resource;

elif 1 not in bitmap:

去激活該SRS resource set;

break;

本算法設(shè)定SRS-pos傳輸周期數(shù)為L，在每個傳輸周期內(nèi)，多個TRP可以同時應(yīng)用本算法對朝向其傳輸?shù)腒個SRS-pos資源進行測量與空間關(guān)系調(diào)整。設(shè)定一個閾值SRS_SNRlimit，表示能滿足終端定位精度的最小接收信噪比。在某個傳輸周期內(nèi)，若TRP測量某個SRS-pos資源的接收信噪比不大于SRS_SNRlimit，則在bitmap中標記該SRS資源索引(SRI，SRS resource Id)對應(yīng)的比特值為0；否則，在bitmap中標記該SRS資源索引(SRI)對應(yīng)的比特值為1，并且若該SRS的信噪比大于SRS_SNRmax，則對SRS_SNRmax與maxId進行更新。

每個傳輸周期結(jié)束時，TRP的測量結(jié)果對應(yīng)3種情況：

情況1：所有SRS-pos resource的信噪比均大于SRS_SNRlimit：推斷UE朝向該TRP的傳輸鏈路上不存在隱藏節(jié)點，不需要進行空間關(guān)系的更新；

情況2：部分SRS-pos resource的信噪比不大于SRS_SNRlimit：推測這些SRS-pos的傳輸方向上存在隱藏節(jié)點，服務(wù)gNB通過DCI中的TCI_state字段或MAC-CE中的比特序列指示需要更新的SRS-pos resource，設(shè)置它們QCL TypeD關(guān)聯(lián)的參考信號索引為maxId；

情況3：所有SRS-pos resource的信噪比均不大于SRS_SNRlimit：推斷朝向TRP發(fā)射傳輸鏈路受到隱藏節(jié)點的嚴重干擾，本次定位過程失敗。該TRP向服務(wù)基站報告定位失敗信息，服務(wù)基站指示UE去激活該SRS-posresource set并由LMF報告定位失敗信息與該TRP的標識。之后，LMF可以重新選擇TRP并向其發(fā)送定位激活請求，同時服務(wù)基站指示UE激活其他的SRS-pos資源集，以重新啟動定位過程。

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗證本文所提的空間關(guān)系調(diào)整方法對隱藏節(jié)點的規(guī)避效果，設(shè)計如下仿真評估實驗，將本方案應(yīng)用到UTDOA定位系統(tǒng)模型中，并與傳統(tǒng)方法進行對比，分析其對工作于60 GHz頻段的定位性能的影響。

仿真評估考慮一個由3個TRP為頂點的封閉三角形區(qū)域，如圖2所示，其中隨機分布N個其他RAT設(shè)備，即可能干擾本蜂窩設(shè)備的定位信號傳輸鏈路。文中參考3GPP國際標準設(shè)置仿真參數(shù)，設(shè)定UE到TRPi,j,m的水平距離分別為ri=40 m,rj=30 m,rm=20 m，TRP高度h均為5米，得出UE到TRPi,j,m的傳輸距離分別為40.3米、30.4米、20.6米。設(shè)TRPj與TRPi和TRPm形成的夾角為60°，即式(12)中α=60°，TRP間的水平距離ri,j=50 m,rj,m=40 m?？紤]一個占用1 GHz帶寬且周期間隔100 ms的SRS-pos資源集。其他仿真參數(shù)如下：

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

使用上述參數(shù)進行仿真，得出使用空間關(guān)系更新算法和不進行空間關(guān)系更新這兩種情況下，TRP對SRS-pos到達時間的測量準確度隨傳輸周期的變化如圖5所示，其中測量準確度定義為TRP測量得到的SRS-pos傳輸時間與實際傳輸時間的絕對差值除以實際傳輸時間。圖6為UL-TDOA定位模型中使用空間關(guān)系更新算法和不進行空間關(guān)系更新這兩種情況下，實際定位誤差隨傳輸周期的變化。

圖5 SRS-pos測量精度隨傳輸周期的變化圖

圖6 UL-TDOA定位誤差隨傳輸周期的變化圖

從圖5可知，TRP端的測量準確度隨傳輸時間逐漸增加，且應(yīng)用本空間關(guān)系調(diào)整機制使得SRS-pos的測量準確度相比原機制最高提升了27%。此外，隨著SRS-pos的傳輸時間的增加，本算法相比原機制對測量準確度的提升量將進一步增加。圖6顯示應(yīng)用空間關(guān)系調(diào)整機制顯著降低了UL-TDOA的定位誤差，且相比原機制的誤差減小量隨傳輸周期的增加而增加。

綜上所述，本文所提出的空間關(guān)系調(diào)整機制顯著提升了上行定位精度，并且隨著TRP對SRS-pos測量時間的增加，本機制對定位精度的提升量也越大?？紤]到定位過程的時間開銷不能太大，實際應(yīng)用中需要在定位可靠性與定位時延之間進行權(quán)衡。

5 結(jié)束語

本文提出一種空間關(guān)系調(diào)整算法來減小60 GHz頻段中定位信號的測量誤差，使得NR-U設(shè)備能充分利用60 GHz的大帶寬資源與波束賦型能力實現(xiàn)高精度的定位。以UL-TDOA定位機制為例，基站端基于對多個SRS-pos資源的探測結(jié)果實時調(diào)整某些SRS-pos關(guān)聯(lián)的QCL TypeD參考信號，使其傳輸方向繞過可能存在的隱藏節(jié)點。下一步可以考慮引入終端的輔助信息來幫助基站端進一步判斷定位信號所在的波束質(zhì)量，并分別對每個定位信號設(shè)置合適的發(fā)射功率，以適應(yīng)隨機變化的信道狀態(tài)[20]，使每個TRP的探測質(zhì)量均能達到最佳，在滿足定位要求的前提下盡可能節(jié)省終端的功耗。