5G positioning, Release 16

Продолжаем разговор: давайте кратко рассмотрим инструментарий, который может быть доступен в сетях пятого поколения. 

Начнем с терминологии: 

• RTT – Round Trip Time. Это время путешествия сигнала от передающей антенны к приёмной и обратно. Самая очевидная метрика, но часто не самая удобная: для вычисления RTT надо агрегировать информацию из восходящего (UL — uplink) и нисходящего (DL — downlink) каналов, что может быть не всегда удобно, поскольку реализации UL и DL могут быть физически разделены (разные устройства или изолированные программные модули). У RTT есть и неочевидный, но весьма существенный плюс: обычно можно обойтись без синхронизации на приёмном и передающем узлах связи. 
• AoA/AoD - Angle of Arrival/Angle of Departue. Направление приема или передачи сигнала относительно некоторой нормали в приёмной или передающей антенне, другими словами, азимут. Такой подход стал более-менее массово доступным с внедрением технологий формирования луча (beamforming), хотя его можно использовать и в случае, когда базовые станции оборудованы несколькими направленными антеннами. Идея в том чтобы вещать не куда-то абстрактно в пространство, но концентрировать большую часть мощности излучения в конкретном направлении. Таким образом: знаем направление — знаем и угол. Недостаток метода заключается в увеличении погрешности по мере удаления устройства от источника сигнала. 
• TDoA – Time Difference of Arrival. Этот метод основан на измерении разницы во времени передачи известного сигнала между мобильным устройством и одной или несколькими базовыми станциями с известным географическим расположением и синхронизированными часами.  

По типу позиционирования в мобильной сети нам доступны два варианта: single-cell и multi-cell, то есть, позиционирование в изолированной соте или использование информации нескольких сот для вычисления местоположения мобильного устройства. 

Single-cell positioning  

Здесь мы вынуждены одновременно использовать некоторую комбинацию из вышеперечисленных подходов, например, RTT и AoA/AoD. Точность ограничена физическими параметрами оборудования, и, кроме того, ошибка определения местоположения возрастает по мере удаления мобильного терминала от базовой станции. 

Multi-cell positioning  

Само название подхода предполагает задействование нескольких базовых станций для определения местоположения мобильного терминала (мы не так давно уже писали об этом). В данном случае, определение местоположения можно проводить по любому одному из вышеперечисленных подходов (RTT, AoA/AoD, TDoA), главное, чтобы мы могли иметь эти данные в реальном времени от нескольких базовых станций. Тогда, с поправкой на точность измерений, можно будет судить о геолокации (трилатерация, триангуляция, всё-что-хотите). 

OTDoA  

Это вариант метода TDoA, расшифровывается как Observed Time Difference of Arrival. Был давно предложен в 3GPP ещё для сетей 4-го поколения, ранее обозначался как необязательный для реализации (optional). 

Суть метода достаточно проста. Предположим, что мобильный терминал в состоянии измерить разницу во времени распространения заранее известного специального сигнала от нескольких базовых станций. Собрав результаты измерений мобильный терминал рапортует их на специальное устройство в сети – eSMLC (enhanced Serving Mobile Location Center). Затем, eSMLC, зная разницу во времени и точное местоположение базовых станций, может на базе этой информации вычислить расположение мобильного терминала и предоставить эту информацию приложениям в сети или самому мобильному устройству. 

Для eSMLC есть другое название - LMF, Location Management Function, или Location Server. 

Release 16  

В Release 15 в 3GPP вдруг опять начали вспоминать про OTDoA, а в Release 16 в NR (NR – это New Radio, это совокупность стандартов и процедур в радиоканале 5G) даже предложили обеспечить интегрированную поддержку позиционирования "из коробки". О чём там идёт речь? В основном вот об этих двух вещах: 

• В нисходящем канале (DL) предлагается ввести новый опорный пилотный сигнал с говорящим названием PRS – Positioning Reference Signal. Основная идея заключается в достижении более точной корреляции на стороне приёмника и, как следствие, более точная оценка времени передачи сигнала (ToA – Time of Arrival, мы про это писали в теме про приёмник PRACH). Таким образом, получив на мобильном устройстве более точные оценки ToA PRS с разных базовых станций, можно гораздо точнее определить местоположение устройства 
• В восходящем канале (UL) предполагается использовать уже присутствующие в стандарте пилотные тоны SRS (Sounding Reference Signal), получившие модификации в 16-м релизе для решения как раз задач позиционирования. Базовая станция, анализируя принимаемые от мобильного телефона SRS-сигналы, может вычислить время передачи до мобильного терминала, мощность сигнала на приёмнике и азимут на мобильный терминал (SRS используется в том числе и для реализации технологии формарования луча в 5G). Комбинируя задержку сигнала в DL и UL можно получить суммарное время RTT, которое в свою очередь может быть использовано в других алгоритмах (которые, например, опираются именно на round trip time). 

Немного путаницы или читаем стандарты 

В 16-м релизе на тему позиционирования можно найти несколько документов. Нам бы хотелось для живого примера остановиться на следующих двух: 

• TR 38.855 
• TS 73.355 (или TS 36.355, который просто его включает) 

Разница там не только в цифровом коде и содержимом, но ещё и в букве: первый по списку TR, а второй - TS.  

TS - это Technical Specification. Стандарт, то есть, обязательное соглашение про то, если что-то делать, то все участники игры должны делать это именно так.  

TR - это Technical Report, то есть, исследование. Пока ещё не стандарт. TR про то, что, это можно, наверное, сделать так, и оно будет работать. 

TS 37.355 описывает нам LPP – LTE Positioning Protocol. Это история про то, каким образом данные о геопозиционировании собираются, накапливаются, обрабатываются и используются в сети мобильной связи. Применимо не только к сетям четвертого поколения, но точно так же будет работать и в 5G. 

TR 38.855 в настоящее время про то, как именно мы хотим добывать информацию о местонахождении мобильного устройства, физика процесса. В частности: 

• этот TR задаёт критерии качества позиционирования: способы подсчитать, с какой погрешностью мы способны при заданных условиях определить местоположение мобильного терминала 
• во-вторых, этот TR задаёт при заданных условиях целевые значения достижимых ошибок позиционирования, на которые будущие разработчики приложений смогут рассчитывать. Вычисленные значения ошибок основаны, с одной стороны, на реализации описанных алгоритмов, а с другой - получены в процессе моделированием радиоканала. Например, в TR можно найти такие цифры: 
• Для 80% мобильных терминалов при определённых условиях достижима погрешность не хуже 10 метров при позиционировании в горизонтальной плоскости вне помещений, в помещениях - не хуже 3 метров 
• Для 80% мобильных терминалов при определённых условиях достижима погрешность не хуже 3 метров при позиционировании в вертикальной плоскости, одинакова в помещениях и на открытой местности 
• Задержка в определении местоположения может быть не хуже 1 секунды. 

Резюмируя всё сказанное выше: любой выбранный сценарий позиционирования предполагает поддержку новых стандартов как мобильными устройствами и базовыми станциями, так и конфигурацией опорной сети.