Комплекс моделей позиционирования устройств в сетях шестого поколения. Часть 1. Обзор методов и постановка задачи

Актуальность. На сегодняшний день терагерцовые радиосистемы рассматриваются как технологическая основа интеграции методов и средств радиосвязи и радиолокации в перспективных сетях шестого поколения. Если в сетях 4G LTE возможности позиционирования пользовательских устройств с использованием инфраструктуры базовых станций рассматривались как вспомогательные опции, то в сетях 5G NR технологии определения местоположения (ОМП) стали полноправными сервисами, требования к которым специфицированы наряду с услугами связи. Новой тенденцией позиционирования в сетях 5G NR, по сравнению
с сетями 4G LTE, стала однопозиционная оценка координат и ориентации устройства по сигналам единственной базовой станции с возможностью различать прямые и отраженные сигналы. Сети 6G все еще находятся в стадии становления, однако уже можно констатировать, что они знаменуют собой очередной этап эволюции цифровых экосистем, который характеризуется конвергенцией технологий связи, локализации и зондирования радиоэфира и окружающего пространства радиотехническими средствами.

Цель. Настоящая работа открывает цикл исследований, посвященный обзору моделей, методов и алгоритмов позиционирования устройств в сетях 6G. Целью цикла является поиск и обоснование новых радиотехнических средств достижения дециметровой точности оценок координат устройств 6G. В первой части цикла выполняется обзор методов и формализация модели сбора первичных измерений.

Методом исследования является аналитический обзор состояния проблемы по актуальным научным публикациям, концептуальное моделирование, категориальный подход, экспертное комбинирование, сопоставительный анализ, формализация, математическое и имитационное моделирование.

Решение/результаты. В результате обзора методов позиционирования устройств при переходе к сетям 6G актуализируются ключевые показатели эффективности и сценарии ОМП. В результате сопоставительного анализа сетей 5G и 6G систематизируются новые факторы, достоинства и недостатки технологий позиционирования при переходе от сетей диапазона миллиметровых волн к сетям терагерцового диапазона. Формализованная математическая модель сбора первичных измерений используется в имитационной модели оценки точности позиционирования устройств во второй части цикла.

Новизна. Настоящий цикл является первым подобным исследованием в отечественном научном сегменте по сетевому позиционированию шестого поколения терагерцового диапазона, в котором в авторской редакции выполнен обзор методов и систематизирован комплекс новых факторов ОМП в сетях связи. 

Теоретическая значимость обзора-анализа заключается в установлении как технологических препятствий, так и новых возможностей по увеличению точности позиционирования при переходе к сетям 6G.

Практическая значимость формализованной математической модели заключается в ее последующей программной реализации для численного обоснования пределов точности позиционирования в сетях 6G.

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

2. Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб.: СПбГУТ, 2020. 558 с. EDN:PQSMAG

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

4. 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. EDN:MYRTVE

5. 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. EDN:WWXGQI

6. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 1. Конфигурация сигналов PRS // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 2. С. 48‒63. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-2-48-63. EDN:OEXILA

7. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 2. Обработка сигналов PRS // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 3. С. 80‒99. DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-3-80-99. EDN:BRJHYG

8. 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. EDN:YQWNLJ

9. 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. EDN:XRZIXB

10. Фокин Г.А. Сетевое позиционирование 5G и вероятностные модели оценки его точности // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2020. Т. 14. № 12. С. 4‒17. DOI:10.36724/2072-8735-2020-14-12-4-17. EDN:DQRXIK

11. 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. EDN:FNHQSH

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

13. Лазарев В.О., Фокин Г.А. Оценка точности позиционирования источника радиоизлучения разностно-дальномерным и угломерным методами. Часть 1 // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 2. С. 88‒100. DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-2-88-100. EDN:FFMJWI

14. Фокин Г.А., Лазарев В.О. Оценка точности позиционирования источника радиоизлучения разностно-дальномерным и угломерным методами. Часть 2. 2D-моделирование // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 4. С. 65–78. DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-4-65-78. EDN:RJHISC

15. Фокин Г.А., Лазарев В.О. Оценка точности позиционирования источника радиоизлучения разностно-дальномерным и угломерным методами. Часть 3. 3D-моделирование // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 2. С. 87‒102. DOI:10.31854/1813-324X-2020-6-2-87-102. EDN:FKSYIZ

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

17. Фокин Г.А. Методика идентификации прямой видимости в радиолиниях сетей мобильной связи 4-го поколения с пространственной обработкой сигналов // Труды Научно-исследовательского института радио. 2013. № 3. С. 78‒82. EDN:RVFDCV

18. Фокин Г.А. Имитационное моделирование процесса распространения радиоволн в радиолиниях сетей мобильной связи 4-го поколения с пространственной обработкой сигналов // Труды Научно-исследовательского института радио. 2013. № 3. С. 83‒89. EDN:RVFDDF

19. Shahmansoori A., Garcia G.E., Destino G., Seco-Granados G., Wymeersch H. 5G Position and Orientation Estimation through Millimeter Wave MIMO // Proceedings of the 2015 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps, San Diego, USA, 06‒10 December 2015). IEEE, 2015. DOI:10.1109/GLOCOMW.2015.7413967

20. Shahmansoori A., Garcia G.E., Destino G., Seco-Granados G., Wymeersch H. Position and Orientation Estimation Through Millimeter-Wave MIMO in 5G Systems // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2018. Vol. 17. Iss. 3. PP. 1822‒1835. DOI:10.1109/TWC.2017.2785788

21. Talvitie J., Valkama M., Destino G., Wymeersch H. Novel Algorithms for High-Accuracy Joint Position and Orientation Estimation in 5G mmWave Systems // Proceedings of the 2017 IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps, Singapore, 04‒08 December 2017). IEEE, 2017. DOI:10.1109/GLOCOMW.2017.8269069

22. Abu-Shaban Z., Zhou X., Abhayapala T., Seco-Granados G., Wymeersch H. Error Bounds for Uplink and Downlink 3D Localization in 5G Millimeter Wave Systems // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2018. Vol. 17. Iss. 8. PP. 4939‒4954. DOI:10.1109/TWC.2018.2832134

23. Abu-Shaban Z., Wymeersch H., Abhayapala T., Seco-Granados G. Single-Anchor Two-Way Localization Bounds for 5G mmWave Systems // IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2020. Vol. 69. Iss. 6. PP. 6388‒6400. DOI:10.1109/TVT.2020.2987039

24. Guidi F., Guerra A., Dardari D. Personal Mobile Radars with Millimeter-Wave Massive Arrays for Indoor Mapping // IEEE Transactions on Mobile Computing. 2016. Vol. 15. Iss. 6. PP. 1471‒1484. DOI:10.1109/TMC.2015.2467373

25. Guerra A., Guidi F., Dardari D. Position and orientation error bound for wideband massive antenna arrays // Proceedings of the International Conference on Communication Workshop (ICCW, London, UK, 08‒12 June 2015). IEEE, 2015. PP. 853‒858. DOI:10.1109/ICCW.2015.7247282

26. Guerra A., Guidi F., Dardari D. Single-Anchor Localization and Orientation Performance Limits Using Massive Arrays: MIMO vs. Beamforming // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2018. Vol. 17. Iss. 8. PP. 5241‒5255. DOI:10.1109/TWC.2018.2840136

27. Alsabah M., Naser M.A., Mahmmod B.M., Abdulhussain S.H., Eissaet M.R., Al-Baidhanial A., et al. 6G Wireless Communications Networks: A Comprehensive Survey // IEEE Access. 2021. Vol. 9. PP. 148191‒148243. DOI:10.1109/ACCESS.2021.3124812

28. Tataria H., Shafi M., Molisch A.F., Dohler M., Sjöland H., Tufvesson F. 6G Wireless Systems: Vision, Requirements, Challenges, Insights, and Opportunities // Proceedings of the IEEE. 2021. Vol. 109. Iss. 7. PP. 1166‒1199. DOI:10.1109/JPROC.2021.3061701

29. Jiang W., Han B., Habibi M.A., Schotten H.D. The Road Towards 6G: A Comprehensive Survey // IEEE Open Journal of the Communications Society. 2021. Vol. 2. PP. 334‒366. DOI:10.1109/OJCOMS.2021.3057679

30. De Lima C., Belot D., Berkvens R., Bourdoux A., Dardari D, Guillaud M., Isomursu M., et al. Convergent Communication, Sensing and Localization in 6G Systems: An Overview of Technologies, Opportunities and Challenges // IEEE Access. 2021. Vol. 9. PP. 26902‒26925. DOI:10.1109/ACCESS.2021.3053486

31. Liu F., Cui Y., Masouros C., Xu J., Han T.X., Eldar Y.C., Buzzi S., et al. Integrated Sensing and Communications: Toward Dual-Functional Wireless Networks for 6G and Beyond // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 2022. Vol. 40. Iss. 6. PP. 1728‒1767. DOI:10.1109/JSAC.2022.3156632

32. Wymeersch H., Pärssinen A., Abrudan T.E., Wolfgang A., Haneda K, Sarajlic M. et al. 6G Radio Requirements to Support Integrated Communication, Localization, and Sensing // Proceedings of the Joint European Conference on Networks and Communications & 6G Summit (EuCNC/6G Summit, Grenoble, France, 07-10 June 2022). IEEE, 2022. PP. 463‒469. DOI:10.1109/EuCNC/6GSummit54941.2022.9815783

33. Wymeersch H., Shrestha D., de Lima C.M., Yajnanarayana V., Richerzhagen B., Keskin M.F., et al. Integration of Communication and Sensing in 6G: a Joint Industrial and Academic Perspective // Proceedings of the 32nd Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC, Helsinki, Finland, 13‒16 September 2021). IEEE, 2021. PP. 1‒7. DOI:10.1109/PIMRC50174.2021.9569364

34. Wymeersch H., Seco-Granados G. Radio Localization and Sensing–Part I: Fundamentals // IEEE Communications Letters. 2022. Vol. 26. Iss. 12. PP. 2816‒2820. DOI:10.1109/LCOMM.2022.3206821

35. Wymeersch H., Seco-Granados G. Radio Localization and Sensing–Part II: State-of-the-Art and Challenges // IEEE Communications Letters. 2022. Vol. 26. Iss. 12. PP. 2821‒2825. DOI:10.1109/LCOMM.2022.3206846

36. González-Prelcic N., Keskin M.F., Kaltiokallio O., Valkama M., Dardari D., Shen X., et al. The Integrated Sensing and Communication Revolution for 6G: Vision, Techniques, and Applications // Proceedings of the IEEE. 2024. DOI:10.1109/JPROC.2024.3397609

37. Behravan A., Yajnanarayana V., Keskin M.F., Chen H., Shrestha D., Abrudan T.E., et al. Positioning and Sensing in 6G: Gaps, Challenges, and Opportunities // IEEE Vehicular Technology Magazine. 2023. Vol. 18. Iss. 1. PP. 40‒48. DOI:10.1109/MVT.2022.3219999

38. Zheng P., Ballal T., Chen H., Wymeersch H., Al-Naffouri T.Y. Localization Coverage Analysis of THz Communication Systems with a 3D Array // Proceedings of the Global Communications Conference (GLOBECOM, Rio de Janeiro, Brazil, 04‒08 December 2022). IEEE, 2022. PP. 5378‒5383. DOI:10.1109/GLOBECOM48099.2022.10000653

39. Zheng P., Ballal T., Chen H., Wymeersch H., Al-Naffouri T.Y. Coverage Analysis of Joint Localization and Communication in THz Systems With 3D Arrays // IEEE Transactions on Wireless Communications. 2024. Vol. 23. Iss. 5. PP. 5232‒5247. DOI:10.1109/TWC.2023.3325192

40. Yajnanarayana V., Wymeersch H. Multistatic Sensing of Passive Targets Using 6G Cellular Infrastructure // Proceedings of the Joint European Conference on Networks and Communications & 6G Summit (EuCNC/6G Summit, Gothenburg, Sweden, 06‒09 June 2023). 2023. PP. 132‒137. DOI:10.1109/EuCNC/6GSummit58263.2023.10188243

41. Mateos-Ramos J.M., Song J., Wu Y., Häger C., Keskin M.F., Yajnanarayana V., et al. End-to-End Learning for Integrated Sensing and Communication // Proceedings of the International Conference on Communications (Seoul, Republic of Korea, 16‒20 May 2022). IEEE, 2022. PP. 1942‒1947. DOI:10.1109/ICC45855.2022.9838308

42. Rivetti S., Mateos-Ramos J.M., Wu Y., Song J., Keskin M.F., Yajnanarayana V., et al. Spatial Signal Design for Positioning via End-to-End Learning // IEEE Wireless Communications Letters. 2023. Vol. 12. Iss. 3. PP. 525‒529. DOI:10.1109/LWC.2022.3233475

43. Huang C., Hu S., Alexandropoulos G.C., Zappone A., Zappone A., Yuen C., et al. Holographic MIMO Surfaces for 6G Wireless Networks: Opportunities, Challenges, and Trends // IEEE Wireless Communications. 2020. Vol. 27. Iss. 5. PP. 118‒125. DOI:10.1109/MWC.001.1900534

44. Elzanaty A., Guerra A., Guidi F., Dardari D., Alouini M.-S. Toward 6G Holographic Localization: Enabling Technologies and Perspectives // IEEE Internet of Things Magazine. 2023. Vol. 6. Iss. 3. PP. 138‒143. DOI:10.1109/IOTM.001.2200218

45. Basar E., Yildirim I., Kilinc F. Indoor and Outdoor Physical Channel Modeling and Efficient Positioning for Reconfigurable Intelligent Surfaces in mmWave Bands // IEEE Transactions on Communications. 2021. Vol. 69. Iss. 12. PP. 8600‒8611. DOI:10.1109/TCOMM.2021.3113954

46. He J., Jiang F., Keykhosravi K., Kokkoniemi J., Wymeersch H., Juntti M. Beyond 5G RIS mmWave Systems: Where Communication and Localization Meet // IEEE Access. 2022. Vol. 10. PP. 68075‒68084. DOI:10.1109/ACCESS.2022.3186510

47. Киреев А.В., Фокин Г.А. Оценка точности локального позиционирования мобильных устройств с помощью радиокарт и инерциальной навигационной системы // Труды учебных заведений связи. 2017. Т. 3. № 4. С. 54–62. EDN:YMIHOI

48. Фокин Г.А., Владыко А.Г. Позиционирование транспортных средств в сверхплотных сетях радиодоступа V2X/5G с использованием расширенного фильтра Калмана // Труды учебных заведений связи. 2020. Т. 6. № 4. С. 45‒59. DOI:10.31854/1813-324X-2020-6-4-45-59. EDN:PYHUMZ

49. Фокин Г.А., Владыко А.Г. Позиционирование транспортных средств с комплексированием дальномерных, угломерных и инерциальных измерений в расширенном фильтре Калмана // Труды учебных заведений связи. 2021. Т. 7. № 2. С. 51‒67. DOI:10.31854/1813-324X-2021-7-2-51-67. EDN:AIEESO

50. Фокин Г.А. Процедуры выравнивания лучей устройств 5G NR // Электросвязь. 2022. № 2. С. 26‒31. DOI:10.34832/ ELSV.2022.27.2.003. EDN:GWPZQH

51. Фокин Г.А. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 1. Выравнивание лучей при установлении соединения // Первая миля. 2022. № 1(101). С. 42‒49. DOI:10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49. EDN:UVALJF

52. Фокин Г. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 2. Выравнивание лучей при ведении радиосвязи // Первая миля. 2022. № 3(103). С. 62‒69. DOI:10.22184/2070-8963.2022.103.3.62.68. EDN:PTALDP

53. Chen H., Sarieddeen H., Ballal T., Wymeersch H., Alouini M.-S., Al-Naffouri T.Y. A Tutorial on Terahertz-Band Localization for 6G Communication Systems // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2022. Vol. 24. Iss. 3. PP. 1780‒1815. DOI:10.1109/COMST.2022.3178209

54. Chen H., Aghdam S.R., Keskin M.F., Wu Y., Lindberg S., Wolfgang A., et al. MCRB-based Performance Analysis of 6G Localization under Hardware Impairments // Proceedings of the International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops, Seoul, Republic of Korea, 16‒20 May 2022). IEEE, 2022. PP. 115‒120. DOI:10.1109/ICCWorkshops53468.2022.9814598