5G NR Positioning enhancement (R17)

一 Review

从标题大家可以看到，本篇文章是在介绍5G R17 NR positioning enhancement。先说背景，随着Rel 17的冻结，我们可以这样理解5G三个版本的迭代，如果Rel 15版本是5G的“毛坯”，则Rel 16可以理解为“精装”，Rel 17就是在精装之上进一步的“软装”。在当时R16的时候，NR positioning被提出，实现了5G “RAT-dependent”的定位技术。这里RAT-dependent是指5G“自带”的定位技术，即定位的实现依赖于5G网络，而非卫星。在后续冻结的Rel 17版本中，3GPP对NR positioning做了一些增强，从而可以理解为NR positioning enhancement。

那么既然是个enhancement，我们就先通过另外两篇文章简单回顾下R16 NR positioning的主要内容：
5G R16 NR positioning
5G R16 DL-PRS

上面两篇文章主要介绍了R16 NR positioning的流程以及定位原理和下行定位参考信号DL-PRS。在了解了什么是NR positioning，DL-PRS，以及定位原理和定位流程之后，下面我们再来看R17中对NR positioning具体进行了哪些enhancement，也就是本篇要介绍的内容。

请务必在阅读了上述两篇文章后再继续阅读本篇，如果你试图直接阅读本篇，建议Ctrl+W叉掉本网页，从而节省你5分钟的时间。如果你是天选之子、气运加身，则可以忽略上面建议。

二简介

从R17相关的study item，work item，以及technique report中，可以提炼出R17所做的增强主要体现在四点：

精度的提升(accuracy enhancement)
延迟的减小(latency reduction)
网络效率的提升(NW efficiency enhancement)
UE效率的提升(device efficiency enhancement)

这4点是整个enhancement的主旋律。先解释下这4点，精度和延迟不用多说，很好理解；这里的NW efficiency具体是指定位参考信号的资源利用率；device efficiency具体是指UE 在positioning过程中的功耗power consumption。下面会详细介绍这4点提升都具体是如何实现的。

此外，R17新增了IIoT use cases，即将NR positioning应用于了仓储自动化等这些工业物联网场景中。R17 Work item RP-210903中对IIoT场景的具体情形有详细的描述，这里不对IIoT use case具体展开，感兴趣的童鞋可以自己去看一下这个WI。一般在IIoT场景中，对定位精度有更高的要求。

三 Enhancement

1. 精度的提升

精度的提升只能从RAN1着手，主要的方法包括以下这几个：

Timing Error Mitigation，针对的是timing based定位方法，包括TDOA和MultiRTT;
AOD accuracy enhancement，针对DL-AoD这种方法的精度提升;
Multipath Mitigation，主要针对timing based方法，其次UL-AoA也可以使用；

1.1 Timing Error Mitigation

首先来看Timing Error Mitigation，先明白什么是timing error。比如从基站基带的数字信号，到天线发射出去，这之间会有time delay，这个time delay根据器件的性能等先验信息甚至是经验值，可以在一定程度上calibrate。UE侧同理，从天线接收到模拟信号，到转换成基带数字信号，这期间的time delay也可以一定程度calibrate。经过校验之后还剩下的那部分不可控的time delay，或者是压根不经过校验的time delay，就叫timing error。

然后我们就可以将拥有相近的timing error的多个measurement叫做一个Timing Error Group（TEG）。简单理解的话，相近的timing error通常就意味着相同的process chain，比如多个信号，经过相同的RF chain，最终从UE的同一个天线发送出去，就可以认为这几个信号有相近的发送端timing error，则他们就属于同一个发送端TEG，又可以叫TxTEG。接收端同理，用同一个process chain接收下来的信号，就有相同的接收端TEG — RxTEG。每个TEG都有ID。

这个TEG ID最终要报给进行位置计算的实体，在UE based positioning中就把TEG-ID报给UE，在NW based positioning中，就把TEG-ID报给NW。这里所说的UE based和NW based的涉及到定位方法的又一种分类方式:

UE既负责PRS的测量又负责位置的计算，叫UE-based，
UE只负责测量，将测量结果上报，由LMF计算位置，叫UE-assisted，
NW既负责测量，又负责计算，叫NW-based。

也就是说谁最后负责计算位置，就将相关的TEG-ID报给谁，下面举几个具体的例子，
a). 比如UE assisted DL TDOA，UE在测量PRS时，对于同一个PRS Resource，UE可以用天线0测，也可以用天线1测，用不同的天线得到的测量结果，就对应着不同的Rx TEG，所以在上报测量结果的时候，测量结果对应的Rx TEG ID也要一起上报，也就是要告诉网络，哪些测量结果是拥有近似的timing error的。
b). 如果是UE based DL TDOA，最终由UE来计算位置，那UE就无需将Rx TEG 告诉网络，相反，因为基站侧可以用不同的天线发送PRS，不同的天线发送的PRS自然有不同的timing error，所以基站要将PRS对应的Tx TEG ID告诉UE。
c). 再比如UL TDOA，UE是发送侧，所以UE就应该将UL PRS(SRS for positioning)的UE Tx TEG ID告知LMF；基站是接收侧，所以就应该将测量结果以及测量结果对应的Rx TEG ID告知LMF，最终由LMF计算UE位置。
d). 对于Multi RTT来说，测量的是RxTx time difference，所以对应报的就是RxTx TEG。

可以这么理解：一个TEG ID就相当于把某一条链路里的timing error的特征给提取出来了。合理使用TEG ID，就可以减小timing error，减小了timing error，无疑就是提高了精度。

1.2 AOD accuracy enhancement

R16中介绍了DL-AoD的原理，就是基站侧做beam sweeping，根据UE测到的哪个波束上的RSRP最高，就说明UE在哪个方向。这里R17对DL-AoD主要做了3点增强，以提高DL-AoD的精度。

第一点增强是RSRPP的测量和上报
对，你没看错，也不是我写错了，就是RSRPP。RSRPP也叫Path PRSR，指的是多径情况下，其中某一条路径上的RSRP。比如UE先测量上报了PRS 1的RSRP和first_path_RSRPP，然后可以再测量PRS 2的RSRP和first_Path_RSRPP，然后可以用差值的方式，对PRS2的测量结果进行上报，即UE上报PRS 2的测量结果的时候，可以上报PRS 2的RSRP相对于PRS 1的RSRP的差值，RSRPP也是同理，以此类推，可以上报若干个PRS的PRSR和first_path_RSRPP。这样网络就可以根据这若干个PRS在UE侧的强度，以及多径的第一条路径的RSRP，来判断UE的精确方位。

第二点增强是Assistance Data的增强
首先是网络可以给UE提供一个PRS的subset，来让UE优先测量上报这个subset里包含的PRS，其次是可以给UE提供每个PRS的视轴方向。

第三点增强是Antenna Relative Beam Information
也就是网络可以给UE提供不同PRS resource之间的相对功率的量化版本。这句话乍一听可能会觉得很绕，举个例子来说，在某一个精确的方向上，比如基站以它的location为坐标（Local Coordinate System，LCS），水平方向上与X轴夹角正5.5度的方向上，在这个方向上，不可能只有一个PRS的能量被检测到（波束赋形的过程中，某个主瓣不可能没有旁瓣，相邻的主瓣也不可能丝毫没有重叠的部分），这里Antenna Relative Beam information就是说在某个方向上，以最大的能量为1，将其他beam在这个方向上的能量归一化，从而将这个方向上的不同PRS之间的相对功率进行了归一化的量化比较，将这个量化结果，以某一个角度颗粒度，告知UE，比如正5.5度方向上不同PRS之间的量化结果、正5.6度的结果、正5.7度的量化结果…。这就是Antenna Relative Beam Information，相当于是把一个角度和不同beam之间的相对功率的量化结果这样的一个矩阵告知了UE。

UE在计算位置的时候，可以合理利用这几点，RSRPP、PRS的Subset、每个PRS的视轴方向、不同方向上不同PRS之间的相对大小，来提高DL-AoD的精度。这些辅助信息具体怎么使用，这个取决于UE自己的实现。

1.3 Multipath Mitigation

第三点accuracy enhancement是关于多径干扰的降低，降低了多径的干扰，精度自然就提升了。降低多径干扰的主要方法有两个：

第一个方法是multipath report
就是UE和基站将多径相关的时间或者角度信息上报给计算位置的LMF。在DL-TDOA和MultiRTT中，UE要给LMF上报DL PRS至多8条多径的相对于first path的时间信息，对于UL positioning，基站也要给LMF上报UL PRS的多径的角度和时间信息。

第二个方法是LoS indication
就是指在NW based positioning当中，UE通过测量，来判断某个DL PRS是通过视距（LoS）到达还是通过非视距（NLos）达到，然后将LoS indicator报给网络。这个indicator指示的是LoS的可能性，值介于0-1之间。同理在UE based positioning中，网络也可以通过UL PRS（SRS for positioning）的测量，将LoS indicator指示给UE。这里如何判断，是UE和基站自己的实现，比如通过是否产生了多径，产生了几条多径，多径之间的时间差等等。

2. 延迟的减小

R17的第二个增强是关于latency reduction，主要方法就是measurement gap和PPW的预配置。首先我们要知道，UE想要测量配置在active BWP内的PRS时，需要在PPW（PRS Processing Window）内测量，想要测量active BWP外的PRS或者active BWP内但是和active BWP有不同子载波间隔的PRS时，需要measurement gap。Measurement Gap和PPW的预配置就是指网络预先给UE配置多个Measurement Gap和PPW，后续直接通过DL MAC CE来激活，从而节省每次都要重配的时间。

对于预配置的多个Measurement Gap，UE可以通过UL MAC CE来请求其中的某一个，然后网络通过DL MAC CE激活/去激活。

对于预配置的多个PPW，UE无法通过UL MAC CE来请求，只有网络通过DL MAC CE激活/去激活。如果激活的PPW被指示为高优先级的话，UE就可以在PPW内优先测量PRS。另外，PPW分为三种类型，Type 1A、Type 1B和Type 2，区别只在于时频域上对优先级的处理有一些细微差别，比如type 1A和1B配置的优先级在频域上是针对band而言，而Type2只针对CC，时域上1A 1B配置的优先级针对整个PPW，而type2只针对PPW内和PRS有冲突的symbol，没冲突的symbol上的其他DL资源是不会中断的。

此外，latency reduction还可以通过Pre-config PRS assistance data。PRS assistance data一般可以理解为PRS相关的配置信息，对于不同的定位方法，可能有不同的内容。除了PRS必要的参数外，还可能包括前面提到的PRS的视轴方向、PRS的Antenna Relative Beam Information、PRS的Subset等等。一个PRS Assistance Data由多个instance组成，每个instance对应一个Area ID，每个Area ID又包含一组小区ID。Pre-config PRS assistance data就是说网络除了给UE配置当前Area ID对应的PRS Assistance Data以外，还会提前将周围的其他Area ID对应的PRS Assistance Data也配置给UE。你可以更简单得将它理解为其他小区里的PRS相关的配置信息。这样一来，当HO发生时，UE可以根据HO之后的Area ID，直接使用预配置好的该Area ID对应的PRS Assistance Data，从而节省了HO之后重配PRS的过程。

3. 网络效率的提升

根据前面的介绍，我们知道网络效率主要是指PRS的利用率，R17提高网络效率的主要方法就是on-demand PRS。On-demand PRS使得网络不再只能配置周期PRS（当前R17还不支持半持续和非周期PRS），在不需要周期PRS的时候，可以使用on-demand PRS，从而提高PRS的利用率，所以提高了NW efficiency。On-demand PRS分为两种，一种是LMF发起的on-demand PRS，另一种是UE发起的on-demand PRS。大致步骤如下所述：

LMF initiated on-de PRS：

gNB将可以支持的on-demand PRS参数告知LMF
由LMF决定Neighbor TRP和PRS configuration
然后是PRS configuration exchange，即LMF发起request给gNB，指示PRS配置或更新，发起on-demand PRS
gNB发送on-de PRS

UE initiated on-de PRS：

LMF通过posSIB或assistance data将预先定义好的多套on-demand PRS配置告诉UE
由UE向LMF发起请求，请求里会携带UE想用的PRS configuration的ID
再由LMF向gNB发起请求，从这里开始就又相当于是LMF initiated on-de PRS了

4. UE效率的提升

根据前面的介绍，UE效率具体就是指positioning过程中UE的功耗。所以为了提升UE效率，R17引入了Positioning in Inactive State，顾名思义，就是可以使得UE在positioning的过程中不用非得进入连接态，在INACTIVE态下就可完成positioning，降低了UE能耗，从而提高了device efficiency。

具体的Positioning in INACTIVE state就不展开介绍了，因为这个涉及到R17另外一个feature叫SDT(Small Data Transmission)，SDT可以使得UE在inactive态下进行小数据的传输，positioning过程中的传输的数据就很小，所以可以通过SDT来完成positioning in inactive state。SDT这个feature的提出其实本身就是为了power saving。

以上就是本篇的主要内容，R17 NR Positioning的4点enhancement。