5G DL PRS(Positioning Reference Signal) -- 下行定位参考信号

在今年冻结的3GPP R16版本中，与R15相比新增加了一个下行参考信号---- DL PRS（positioning reference signal），用于NR的RAT-dependent的定位服务中。这里RAT-dependent就是指这里的定位的实现要依赖于5G网络，区别于卫星定位、蓝牙定位等等其他定位方法。

下面先简单介绍下NR positioning用到的定位方法的基本原理，然后介绍下行定位参考信号DL-PRS。

一、定位技术基本原理

根据所使用的定位参考信号的不同，可以将定位方法分成三种：依赖下行定位参考信号（DL-PRS）的，叫做DL-based方法，同理还有UL-based和UL+DL的。目前NR支持的定位技术，包括：

2种DL-only：DL TDOA和DL AoD
2种UL-only：UL TDOA和UL AoA
1种UL+DL：Multi-RTT
1种不属于以上分类的：E-CID

那既然UL-based定位方法要用到上行定位参考信号，那为什么这里不介绍UL-PRS呢？因为UL-PRS就是SRS。只不过和Rel 15中的SRS稍有不同，以后有机会再介绍。

1. TDOA（包括UL-TDOA和DL-TDOA）

DL-TDOA即DL Time Difference of Arrival，原理就是用不同的基站同时发送DL-PRS，UE根据PRS到达的时间差，从而确定UE距离不同基站的距离差。将UE理解为一个平面内的动点，基站理解为平面内的定点，则TDOA模型可以理解为：平面内动点到两定点距离差为定值的动点轨迹为双曲线，那么利用三个基站（1个serving cell，2个neighbor cell）就可以获得2条双曲线，这两条双曲线交点即为UE位置。DL-TDOA需要基站之间高度时间同步。UL-TDOA与其同理，不再赘述。

2. DL-AoD

DL-AoD即DL Angle of Departure，原理基站侧做波束扫描，用不同的波束发送不同的DL-PRS，利用不同的beam的RSRP强度，测量UE角度位置，则2个基站即可确定UE位置。

3. UL-AoA

UL-AoA的原理和DL-AoD其实并不相同，并不是AoD的一个反向过程，UL-AoA是基站来测量UE发送的UL-PRS的来波方向。和DL-AoD相比起来，一是参考信号的方向不同，二是测量的内容也不同，DL-AoD是UE在测量不同波束上DL-PRS的强度（RSRP），而UL-AoA是基站在测UL-PRS的来波方向，测量的结果是一个方向。因为这里涉及到波达方向的测量，具体原理不展开细讲，这部分内容网上文献也很多，感兴趣的童鞋可以自己查阅。

4. Multi-RTT

Multi-RTT即multi-Round-trip time，原理就是利用多个基站到UE的往返时间，确定其余UE的距离，则三个圆的交点位置即为UE位置。需要基站和手机之间高度时间同步。

5. E-CID

E-CID即Enhanced Cell-ID，原理就是根据小区ID，粗略确定UE位置（在小区覆盖范围内），然后再结合其他技术，如AoA和RTT，进一步精确UE的位置。

注意上面这里介绍到的定位方法都是RAT-dependent的定位技术，需要5G基站和LMF（location management function）的参与，并不需要卫星等参与其中。所以不是大家常见的GPS卫星定位，是5G自己的“自带的”定位方法。而且当前这个技术并没有商用，只是3GPP对它做了研究和标准化，且对它的标准化也没有完全结束，只是部分内容的标准化。下面开始具体介绍DL-PRS。

二、DL-PRS

1. DL-PRS的作用

从前面对定位方法的原理的介绍中也可以看出，DL定位过程是一定会用到DL定位参考信号的，也就是D-PRS，不论是测量DL-PRS的RSRP还是测量它的达到时间差(RTOA: reference signal time of arrival)。

2. 序列生成

[该部分参考最新版本38.21]

序列生成公式如下
其中的伪随机序列c(i)使用31阶Gold序列，其初始序列生成公式如下：
与高层给定的序列ID和序列映射的时频域位置有关。

3. 资源映射

序列映射公式如下所示：
具体变量含义及参数指示采用截图方式引用协议原文如下，以避免编辑过程中带来的麻烦和误解：

简单解释就是上述4个参数分别表示PRS的起始符号在一个slot中相对于symbol0的偏移；时域所占符号个数；频域采用的comb size以及频域上的comb offset。

其中的k’由下表指示

由协议中的描述可知，PRS频域上支持comb2/4/6/12四种comb形式，时域上支持2/4/6/12四种符号数量配置。

根据映射公式可知PRS支持如下表总结的一些时频域pattern：

以Comb4 with 4 symbols为例，如下图所示为其时频域映射的方式：

4. 参数配置

PRS的参数结构是positioning frequency layer –> PRS resource set --> PRS
resource这样的三层结构，即一个layer里可以包含多个set，一个set里可以包含多个resource。有些参数是layer级别的，即该级别的参数作用范围是这个layer内包含的所有resource，有些参数是set级别的，作用范围是该set内的所有resource，其余参数是resource级别的，只指示该resource的配置。

[下面直接截图引用38214协议原文对各层参数做一个简单解释并删掉不必要的内容]

Positioning frequency layer层的参数包含3个，分别指示载波间隔、循环前缀和频域位置参考点。
Set级别的参数包含这个set的ID、周期、repetition、time gap、muting pattern、slot offset、comb类型、起始RB和所占RB数量。

Resource级别的参数指示了该resource的ID、序列生成及资源映射所需的一些参数，和该resource的QCL关系。

5. 时域周期

PRS时域slot公式如下所示：
即PRS所在的slot要满足上述公式，且式中各参数含义解释如下，同理为了编辑麻烦，直接截图协议原文：

6. RS resource的repetition

DL-PRS会进行repetition，目的在于：
1 beam sweeping（类似SSB），从而实现DL-AoD和UL-AoA
2 合并增益以扩展覆盖范围
3 实现muting（有一些位置的PRS会mute掉 for 速率匹配rate matching），

基站在配置repetition的时候，要考虑到多个resource再加上它们的多次重复，要不超过该set所能占用的总长度，该set也不能超出set的周期，占用下一个set的资源。

根据上述参数可知，当配置不同的repetition factor和time gap时，会有不同的repetition pattern，举两个例子如下图所示：

7. Muting pattern

Muting就是指对于所有的PRS resource，并不是都要实际占用资源，有些时频域资源比如为了躲避SSB和其他的物理信号和信号，就会mute，也就是本来该是PRS的地方，就不配置PRS。

Muting主要分为2种操作方式：

Option 1: Inter-instance Muting
这种方式的Muting运用在Set级别，涉及到2个参数PRS Muting-Bit和Repetition Factor。 bitmap中的每个bit都代表连续若干（1、2、4、8）个set，这些set内的所有resource都mute。

Option 2:Intra-instance Muting
这种方式的muting运用在set内，bitmap的每个bit代表一个resource，如果该resource要mute，那么该resource的所有repetition也要一起mute。

此外，上述的两种方式可以结合使用。

以上就是R16新增参考信号DL-PRS的大致内容，感兴趣的读者可以自行参考R16版本协议38211、38213、38214、38331进行学习