A set of Models for Device Positioning in Sixth Generation Networks. Part 1. Methods Survey and Problem Statement

Cover Page

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

  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


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies