[论文解读] Indoor Positioning in 5G-Advanced: Challenges and Solution towards Centimeter-level Accuracy with Carrier Phase Enhancements

Jakub Nikonowicz, Aamir Mahmood+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Indoor and Outdoor Localization Technologies被引用 15

一句话总结

本文提出在5G-Advanced中采用载波相位（CP）定位，通过利用连续参考信号（C-PRS）减少相位噪声，实现在室内工厂环境中的厘米级定位精度。通过消除参考信号中的循环前缀和梳状结构，C-PRS实现了相位相干测量，显著提升了分辨率，并支持亚纳秒级同步；仿真结果表明相位误差方差降低，且在真实室内场景下具备实现3D定位精度低于10 cm的潜力。

ABSTRACT

After robust connectivity, precise positioning is evolving into an innovative component of 5G service offerings for industrial use-cases and verticals with challenging indoor radio environments. In this direction, the 3GPP Rel-16 standard has been a tipping point in specifying critical innovations, followed by enhancements in Rel-17 and Rel-18. In this article, we elaborate on the 5G positioning framework, measurements, and procedures before shifting the focus mainly to recently identified carrier-phase (CP) measurements in Rel-18 as a complementary measure for time- and angular-based positioning methods. We discuss the associated challenges and potential solutions for exploiting CP, including integer ambiguity, multipath sensitivity, and signaling aspects. Furthermore, we study how phase-continuous reference signaling can counter noisy phase measurements using realistic simulations to achieve centimeter-level accuracy in indoor factory (InF) scenarios.

研究动机与目标

• 为解决工业5G网络中，特别是在密集室内工厂（InF）环境中对厘米级定位精度的需求。
• 分析载波相位（CP）定位面临的技术挑战，包括整数模糊度、多径敏感性及相位噪声。
• 提出连续参考信号（C-PRS）作为解决方案，以降低相位测量噪声并提升相位相干性。
• 利用仿真评估在真实InF信道模型下CP定位的性能表现。
• 探索系统级增强技术，如亚纳秒级gNB同步与近场定位，以支持未来5G及更先进的系统。

提出的方法

• 建立5G NR参数（带宽、子载波间隔、阵列尺寸）与延迟/角度误差方差之间关系的模型，为定位精度提供理论基础。
• 引入载波相位（CP）测量作为到达时间（TOA）与到达角（AOA）的补充方法，利用发射与接收信号之间的相位差。
• 提出连续参考信号（C-PRS）以在时间上保持相位相干性，通过延长积分窗口降低噪声方差。
• 采用1000倍FFT窗扫频，每次偏移1个样本，以比较正交频 division multiplexing（OFDM）符号间的相位差，实现高分辨率相位跟踪。
• 采用OFDM符号的双重复制与拼接技术，提升相位测量稳定性并减少抖动。
• 仿真采用3D InF信道模型，评估在标准与连续参考信号条件下的3D距离误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的基于时间与角度的方法相比，载波相位测量在5G-Advanced中如何提升定位精度？
• RQ2 CP定位实现中的关键挑战（如整数模糊度与多径效应）是什么？如何有效缓解？
• RQ3 连续参考信号（C-PRS）在多大程度上可降低相位噪声方差并提升室内工厂环境中的测量相干性？
• RQ4 为实现厘米级精度的CP定位，需要哪些系统级要求，如亚纳秒级gNB同步？
• RQ5 相位连续的参考信号是否可实现毫米波频段的高分辨率测距与近场定位？

主要发现

• 连续参考信号（C-PRS）显著降低了相位噪声方差，累积分布函数（CDF）结果表明相位测量稳定性得到提升。
• C-PRS支持在更长的时间窗口内进行相位比较，降低了抖动，提升了基于载波相位的测距分辨率。
• 仿真结果表明，C-PRS可降低3D距离误差方差，验证了在室内工厂（InF）场景中实现厘米级定位的可行性。
• 典型接收机速度（3 km/h）引起的多普勒相位偏移可忽略不计（0.003 ppm），验证了在短时间间隔内使用相位相干测量的合理性。
• 亚纳秒级gNB同步对差分CP测量至关重要，且C-PRS可用于追踪主时钟相位以实现精确同步。
• 当阵列内保持相位同步时，利用大尺寸毫米波阵列实现近场定位成为可能，支持基于曲率的测距。