5G ISAC-Based UAV Detection and 3-D Tracking Using Uplink Sounding Reference Signals on an End-to-End O-RAN Simulation Testbed

Resumo Técnico: Detecção de UAV e Rastreamento 3-D Baseados em 5G ISAC Usando Sinais de Referência de Sondagem de Uplink em um Testbed de Simulação O-RAN Ponta a Ponta

Definição do Problema
A proliferação de veículos aéreos não tripulados (UAVs) de baixa altitude exige soluções de contra-UAS (C-UAS) escaláveis e de baixo custo. Os sistemas de radar tradicionais exigem espectro e infraestrutura dedicados, que são frequentemente proibitivos. Embora o ISAC (Integração de Sensoriamento e Comunicação) 5G ofereça uma visão de usar a infraestrutura celular existente para fins duplos, implementações práticas permanecem escassas. Especificamente, há uma falta de testbeds abertos de ponta a ponta que integrem uma pilha de protocolo 5G NR real, um O-RAN Near-RT RIC compatível com padrões e um simulador de canal baseado em ray-tracing para validar a vigilância de UAVs. Além disso, as especificações de sensoriamento padrão da 3GPP (por exemplo, para o Release 19) ainda estão em estudo, e o sinal de referência de sondagem de uplink (UL-SRS) é um candidato, não uma forma de onda de sensoriamento padronizada.

Metodologia
Os autores apresentam um testbed de simulação O-RAN de ponta a ponta construído a partir de componentes de código aberto: OpenAirInterface (OAI) para a pilha 5G NR, FlexRIC para o Near-RT RIC e Sionna RT para emulação de canal por ray-tracing. O sistema reaproveita o UL-SRS padrão como uma forma de onda de radar passivo sem modificar o padrão NR ou exigir sinais de sensoriamento dedicados.

• Arquitetura: O testbed opera como uma pilha conteinerizada. O OAI gNB hospeda um estágio de sensoriamento ISAC customizado dentro de sua Camada Física (PHY). O OAI nrUE atua como o iluminador, transmitindo o UL-SRS. O UAV é um espalhador passivo não cooperativo.
• Pipeline de Sensoriamento: Dentro do PHY do gNB, o sistema realiza:
  1. Deflação de Subespaço de Clutter: Uma deflação de subespaço de rank-$K_c$ remove o caminho direto estático dominante e o reflexo do solo, isolando o eco do UAV.
  2. Processamento de Range-Doppler: Um mapa 2-D de Range-Doppler é gerado via IDFT com zero-padding (range) e DFT (Doppler) sobre um Intervalo de Processamento Coerente (CPI) de 640 ms.
  3. Detecção: O CFAR de Estatística de Ordem (OS-CFAR) com agrupamento de pico único detecta alvos.
  4. Estimativa de Ângulo: Um estimador interferométrico de forma fechada calcula o Ângulo de Chegada (AoA) usando um Array Linear Uniforme (ULA) de 4 elementos.
• Transporte: As detecções são transmitidas para um xApp assinante no Near-RT RIC via um modelo de serviço E2 customizado (SM-SENS) usando procedimentos E2AP padrão.
• Rastreamento: O xApp execeuta um Filtro de Kalman Estendido (EKF) com um modelo de medição não linear (range bistático, taxa de variação de range e azimute).
• Soluções de Rastreamento 3-D: Como um único par bistático com um array 1-D não pode observar a elevação (exigindo um prior de altura), o artigo avalia dois métodos para alcançar o rastreamento 3-D:
  1. Array Planar: Substituir o ULA 1-D por um Array Planar Uniforme (UPA) 2×4 para medir o ângulo de elevação diretamente.
  2. Geometria Multiestática: Adicionar um segundo transmissor nrUE para criar um segundo par bistático, usando diversidade de range para resolver geometricamente a altitude.

Principais Contribuições

1. Testbed de Simulação O-RAN ISAC de Ponta a Ponta: Uma pilha 5G NR viva integrada com um Near-RT RIC e um emulador de canal por ray-tracing. O sensoriamento ocorre dentro do PHY do OAI gNB, e as detecções chegam ao xApp via um protótipo de modelo de serviço E2, tudo sem modificar o padrão NR.
2. Avaliação de Rastreador Bistático: Uma avaliação de um xApp EKF usando um modelo de medição não linear, associação de Hungarian e manutenção de rastreamento baseada em tempo. A avaliação inclui testes adversariais, como ablação de prior de altura, oclusão de cânions urbanos e sensoriamento sob tráfego de uplink concorrente de 10 Mbit/s.
3. Duas Rotas para Rastreamento 3-D: O artigo demonstra dois métodos distintos para remover o prior de altura e alcançar a observabilidade de altitude:
   • Um array vertical (UPA) no gNB.
   • Diversidade de range de um segundo par bistático.
     Ambos os métodos mostram reduzir a dispersão de cross-seed da estimativa final de altitude de ~12,7 m (inobservável) para ~0,2 m (observável).

Resultados

• Desempenho de Detecção: Em um cenário de linha de visada (LOS) plana, o sistema alcança 92,7% de cobertura de detecção. A precisão da medição (vs. ground truth de ray-tracing) é:
  • RMSE de excesso de range bistático: 8,66 m (aproximadamente uma célula de resolução).
  • RMSE de range-rate bistático: 0,44 m/s.
  • RMSE de azimute: 7,02°.
• Desempenho de Rastreamento:
  • 2-D EKF (com prior de altura): Alcança um RMSE de range (x) de 7,26 m e um RMSE de cross-range (y) de 5,32 m. A continuidade do rastreamento é de 54,2% (subindo para 88,3% com coast-bridging).
  • 3-D EKF (Array Planar): Com um UPA 2×4, o sistema estima a altitude com um RMSE de 5,3 m e posição horizontal com RMSE de 3,8 m. A dispersão de cross-seed de altitude cai para 0,2 m, confirmando a observabilidade, embora permaneça um viés de 6,0 m.
  • 3-D EKF (Multiestático): Com um segundo transmissor, o sistema alcança um RMSE de altitude de 2,2 m e RMSE horizontal de 5,6 m. Crucialmente, esta configuração é sem viés (estimativa de 55,3 m vs. verdade de 5 de 55 m) e também alcança um cross-seed spread de 0,2 m.
• Consistência: O filtro exibe um excesso de confiança estrutural (NEES >> esperado) devido a correlações de eixo cruzado não modeladas e às limitações do estado 2-D com um prior de altura fixo, mas as medições em si são fisicamente sólidas.

Significância e Alegações
O artigo alega apresentar o primeiro testbed de simulação O-RAN ISAC de ponta a ponta para rastreamento de UAV que inclui validação extensiva de pipeline e identifica limitações fundamentais para implantação prática. Sua principal significância reside em demonstrar que:

1. Viabilidade: Sinais de uplink 5G existentes (UL-SRS) podem ser reaproveitados para detecção e rastreamento passivo de UAV sem mudanças de espectro.
2. Observabilidade: A observabilidade de altitude, que é impossível com um único par bistático e um array 1-D, pode ser estabelecida de ponta a ponta através da pilha viva usando um array de recepção vertical ou um segundo transmissor.
3. Arquitetura: A separação do processamento de sinal pesado (cancelamento de clutter, mapeamento RD) dentro do PHY do gNB e do rastreamento algorítmico (EKF) no xApp do Near-RT RIC é um padrão arquitetural viável para ISAC, espelhando o emergente modelo de "sensing-dApp".

Os autores mantêm modéstia quanto às suas alegações, observando que o testbed é uma simulação (usando Sionna RT) e que o modelo de serviço de sensoriamento (SM-SENS) é uma demonstração de funcionamento, não uma especificação padronizada. Eles identificam a necessidade de integração de hardware (validação USRP) e mais trabalhos sobre rastreamento de múltiplos alvos e consolidação de identificadores como passos futuros.