Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 1. Конфигурация сигналов PRS

Эволюция сетей подвижной связи (СПС) 1G–4G показала, что сетевое позиционирование традиционно рассматривалось как одна из дополнительных возможностей в процессе стандартизации, построения и эксплуатации сетей, которая была востребована тогда, когда сигналы глобальных навигационных спутниковых систем оказывались недоступны; определение местоположения устройств в СПС осуществлялось преимущественно в интересах экстренных служб и обеспечения правопорядка. Однако развитая инфраструктура СПС открывала широкие возможности для определения местоположения, поэтому в процессе эволюции, начиная с аналоговых СПС 1G, совершенствовались и методы позиционирования. Цифровые СПС 2G GSM способствовали развитию сетевого позиционирования с точностью до десятков-сотен метров по требованию регулятора. Глобализация СПС связана с образованием партнерского проекта 3GPP для стандартизации сетей 3G UMTS. С поколения 3G в процессе стандартизации СПС в спецификациях 3GPP стали предъявляться требования к сетевому определению местоположения. Данная тенденция получила продолжение в СПС 4G LTE и дальнейшее развитие в сетях 5G. Для сетей 5G в последних спецификациях 3GPP, в отличие от СПС предыдущих поколений, впервые формализованы требования к точности позиционирования до одного метра. При этом, помимо традиционных для 2G–4G случаев экстренного вызова, представлены сценарии позиционирования в сетях связи общего пользования, как для абонентов, так и для устройств: услуги на основе позиционирования LBS, позиционирование в промышленности и здравоохранении, при управлении дорожным движением, для железнодорожных и морских грузоперевозок, а также позиционирование с использованием беспилотных летательных аппаратов. Для решения амбициозной задачи позиционирования с точностью до одного метра, что примерно на порядок меньше, чем в СПС предыдущих поколений, в сетях 5G на уровне радиоинтерфейса используются специальные опорные сигналы позиционирования PRS (Positioning Reference Signals), впервые предложенные в СПС 4G LTE. Новый радиоинтерфейс 5G NR, в отличие от СПС предыдущих поколений 4G LTE, допускает использование на порядок более широких полос частот в диапазоне миллиметровых волн, что позволяет достигнуть метровой точности позиционирования. С точки зрения сбора и обработки первичных измерений точность позиционирования определяется, в первую очередь, используемыми сигналами. Обращение к встроенным функциям пакета расширения 5G Toolbox специального программного обеспечения Matlab позволяет визуализировать процедуры конфигурации сигналов PRS в частотно-временном домене радиоинтерфейса 5G NR. В первой части исследования, посвященного моделированию технологии сетевого позиционирования 5G NR, формализуются процедуры конфигурации сигналов PRS, используемые для сбора первичных измерений. Имитационное моделирование процедур вторичной обработки первичных измерений с результирующей оценкой координат устройств 5G NR является предметом исследования второй части. Результатом настоящей работы является обоснование проблемы достижения метровой точности позиционирования устройств в сетях пятого и последующих поколений, а также постановка задачи на вторичную обработку первичных измерений по сконфигурированным сигналам PRS.

1. Kanhere O., Rappaport T.S. Position Location for Futuristic Cellular Communications: 5G and Beyond // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 1. PP. 70‒75. DOI:10.1109/MCOM.001.2000150

2. Dwivedi S., Shreevastav R., Munier F., Nygren J., Siomina I., Lyazidi Y., et al. Positioning in 5G Networks // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 11. PP. 38‒44. DOI:10.1109/MCOM.011.2100091

3. Bartoletti S., Chiaraviglio L., Fortes S., Kennouche T.E., Solmaz G., Bernini G., et al. Location-Based Analytics in 5G and Beyond // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 7. PP. 38‒43. DOI:10.1109/MCOM.001.2001096

4. Goztepe C., Büyükçorak S., Kurt G.K., Yanikomeroglu H. Localization Threats in Next-Generation Wireless Networks // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 9. PP. 51‒57. DOI:10.1109/MCOM.010.2001150

5. Bartoletti S., Wymeersch H., Mach T., Brunnegård O., Giustiniano D., Hammarberg P., et al. Positioning and Sensing for Vehicular Safety Applications in 5G and Beyond // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 11. PP. 15‒21. DOI:10.1109/MCOM.011.2100339

6. Conti A., Morselli F., Liu Z., Bartoletti S., Mazuelas S., Lindsey W.C., et al. Location Awareness in Beyond 5G Networks // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 11. PP. 22‒27. DOI:10.1109/MCOM.221.2100359

7. Albanese A., Sciancalepore V., Costa-Pérez X. First Responders Got Wings: UAVs to the Rescue of Localization Operations in Beyond 5G Systems // IEEE Communications Magazine. 2021. Vol. 59. Iss. 11. PP. 28‒34. DOI:10.1109/MCOM.101.2100273

8. Ferre R.M., Seco-Granados G., Lohan E.S. Positioning Reference Signal design for positioning via 5G // National Committee for Radiology in Finland. 2019.

9. Grewal M.S., Andrews A.P., Barton C.G. Global Navigation Satellite Systems, Inertial Navigation, and Integration. Wiley, 2020. 608 p.

10. Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 2. С. 3‒9.

11. Фокин Г.А. Сценарии позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2020. № 3. С. 13‒21.

12. Фокин Г. Эволюция технологий позиционирования в сетях 2G-4G. Часть 1 // Первая миля. 2020. № 2(87). С. 32‒39. DOI:10.22184/2070-8963.2020.87.2.32.38

13. Фокин Г. Эволюция технологий позиционирования в сетях 2G-4G. Часть 2 // Первая миля. 2020. № 3(88). С. 30‒35. DOI:10.22184/2070-8963.2020.88.3.30.35

14. Фокин Г.А. Эволюция процедур позиционирования в сетях подвижной радиосвязи // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. Т. 8. № 1. С. 76–89. DOI:10.31854/2307-1303-2020-8-1-74-86

15. Фокин Г.А. Процедуры позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2021. № 11. С. 2‒8.

16. Фокин Г.А., Кучерявый А.Е. Сетевое позиционирование в экосистеме 5G // Электросвязь. 2020. № 9. C. 51‒58. DOI:10.34832/ELSV.2020.10.9.006

17. Фокин Г.А. Использование методов сетевого позиционирования в экосистеме 5G // Электросвязь. 2020. № 11. С. 29‒37. DOI:10.34832/ELSV.2020.12.11.002

18. Кучерявый А.Е., Бородин А.С., Мутханна А.С.А., Абделлах А.Р., Волков А.Н. Искусственный интеллект в сетях связи // X Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании»: сборник научных статей в 4 томах (Санкт-Петербург, Россия, 24–25 февраля 2021). СПб: СПбГУТ, 2021. С. 8‒18.

19. Бородин А.С., Волков А.Н., Мутханна А.С.А., Кучерявый А.Е. Искусственный интеллект в сетях связи пятого и последующих поколений // Электросвязь. 2021. № 1. С. 17‒22. DOI:10.34832/ELSV.2021.14.1.001

20. Фокин Г.А. Комплекс моделей и методов позиционирования устройств в сетях пятого поколения. Дис. ... докт. техн. наук. СПб: СПбГУТ, 2021. 499 с.

21. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб.: СПбГУТ, 2020. 558 с.

22. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия – Телеком, 2021. 456 с.

23. Zekavat R., Buehrer R.M. Handbook of Position Location: Theory, Practice and Advances. Hoboken: John Wiley & Sons, 2019. 1376 p.

24. Campos R.S., Lovisolo L. RF Positioning: Fundamentals, Applications, and Tools. Artech House, 2015. 369 p.

25. Sand S., Dammann A., Mensing C. Positioning in Wireless Communications Systems. Wiley, 2014. 276 p.

26. 3GPP TS 38.211 V17.1.0 (2022-03). NR; Physical channels and modulation (Release 17).

27. 3GPP TS 38.215 V17.1.0 (2022-03) NR; Physical layer measurements (Release 17).

28. 3GPP TR 22.872 V16.1.0 (2018-09). Study on positioning use cases; Stage 1 (Release 16).

29. 3GPP TR 38.855 V16.0.0 (2019-03). Study on NR positioning support (Release 16).

30. 3GPP TS 38.305 V17.0.0 (2022-03). NG; Radio Access Network (NG-RAN); Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in NG-RAN (Release 17).

31. 3GPP TS 38.455 V17.0.0 (2022-04). NG-RAN; NR Positioning Protocol A (NRPPa) (Release 17).

32. Fischer S. Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) Positioning in 3GPP LTE. Qualcomm White Pap. 2014. 62 p.

33. Дворников С.В., Фокин Г.А., Аль-Одхари А.Х., Федоренко И.В. Исследование зависимости геометрического фактора топологии для разностно-дальномерного метода позиционирования // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2017. № 2. С. 86‒93.

34. Дворников С.В., Фокин Г.А., Аль-Одхари А.Х., Федоренко И.В. Исследование зависимости значения геометрического фактора снижения точности от топологии пунктов приема // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2018. № 2. С. 99‒104.

35. Дворников С.В., Фокин Г.А., Аль-Одхари А.Х., Федоренко И.В. Оценка влияния свойств сигнала PRS LTE на точность позиционирования // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2017. № 4. С. 94‒103.

36. LTE Toolbox. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/products/lte.html (дата обращения 29.06.2022)

37. Time Difference of Arrival Positioning Using PRS. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/lte/ug/timedifference-of-arrival-positioning-using-prs.html (дата обращения 29.06.2022)

38. 5G Toolbox. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/products/5g.html (дата обращения 29.06.2022)

39. NR Positioning Reference Signal. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/5g-new-radio-prs.html (дата обращения 29.06.2022)

40. NR Positioning Using PRS. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com/help/5g/ug/nr-prs-positioning.html (дата обращения 29.06.2022)

41. Черняк В.С., Заславский Л.П., Осипов Л.В. Многопозиционные радиолокационные станции и системы // Зарубежная радиоэлектроника. 1987. Т. 1. С. 9‒69.

42. Черняк В.С. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993. 416 с.

43. Черняк В.С. Многопозиционные радиолокационные системы на основе MIMO РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 8. С. 29‒47.