A set of Models for Device Positioning in Sixth Generation Networks. Part 1. Methods Survey and Problem Statement
- Authors: Fokin G.A.1
-
Affiliations:
- The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications
- Issue: Vol 10, No 4 (2024)
- Pages: 73-98
- Section: ELECTRONICS, PHOTONICS, INSTRUMENTATION AND COMMUNICATIONS
- URL: https://journals.rcsi.science/1813-324X/article/view/263510
- EDN: https://elibrary.ru/FTOVZJ
- ID: 263510
Cite item
Full Text
Abstract
Relevance. Today, terahertz radio systems are considered as a technological basis for integrating methods and means of radio communication and radar in promising sixth-generation networks. If in 4G LTE networks the capabilities of positioning user equipment using the infrastructure of base stations were considered as auxiliary options, then in 5G NR networks, location determination technologies (LDTs) have become full-fledged services, the requirements for which are specified along with communication services. A new trend in positioning in 5G NR networks, compared to 4G LTE networks, has become a single-position assessment of the coordinates and orientation of the user equipment based on signals from a single base station with the ability to distinguish between direct and reflected signals. 6G networks are still in their infancy, but it can already be stated that they mark the next stage in the evolution of digital ecosystems, which is characterized by the convergence of communication technologies, localization and sensing of radio air and the surrounding space by radio engineering means.Purpose. This work opens a research cycle devoted to the review of models, methods and algorithms for positioning devices in 6G networks. The goal of the cycle is to find and justify new radio engineering means for achieving decimeter accuracy in 6G device coordinate estimates. The first part of the cycle provides an overview of the methods and formalization of the model for collecting primary measurements.Method is an analytical review of the state of the problem based on current scientific publications, conceptual modeling, categorical approach, expert combination, comparative analysis, formalization, mathematical and simulation modeling.Results. As a result of the review of device positioning methods during the transition to 6G networks, key performance indicators and LDT scenarios are updated. As a result of the comparative analysis of 5G and 6G networks, new factors, advantages and disadvantages of positioning technologies during the transition from millimeter wave networks to terahertz networks are systematized. A formalized mathematical model for collecting primary measurements is used in the simulation model for assessing the accuracy of device positioning in the second part of the cycle.Novelty. This cycle is the first such study in the Russian scientific segment on network positioning of the sixth generation of the terahertz range, in which the author's version provides an overview of methods and a systematization of a set of new factors of the OMP in communication networks.The theoretical significance of the review-analysis lies in the establishment of both technological obstacles and new opportunities for increasing positioning accuracy during the transition to 6G networks.The practical significance of the formalized mathematical model lies in its subsequent software implementation for numerical justification of the limits of positioning accuracy in 6G networks.
About the authors
G. A. Fokin
The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications
Email: fokin.ga@sut.ru
ORCID iD: 0000-0002-5358-1895
SPIN-code: 4922-4442
References
- Фокин Г.А. Комплекс моделей и методов позиционирования устройств в сетях пятого поколения. Дис. ... докт. техн. наук. СПб.: СПбГУТ, 2021. 499 с. EDN:PQMSQX
- Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования. СПб.: СПбГУТ, 2020. 558 с. EDN:PQSMAG
- Фокин Г.А. Технологии сетевого позиционирования 5G. М.: Горячая Линия – Телеком, 2021. 456 с. EDN:BHFAPI
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Фокин Г.А. Процедуры позиционирования в сетях 5G // Вестник связи. 2021. № 11. С. 2‒8. EDN:DEFMNY
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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