КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-29-00528

НазваниеДиаграммообразование на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона

РуководительФокин Григорий Алексеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-606 - Навигация, наведение и управление подвижными объектами

Ключевые словапозиционирование, геоинформационные услуги, сверхплотные сети радиодоступа, миллиметровый диапазон, радиосвязь на основе местоположения, адаптивное диаграммообразование, пространственное уплотнение

Код ГРНТИ47.47.00

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Стремительный рост числа одновременно работающих приемопередатчиков в развертываемых сетях радиодоступа пятого и последующих поколений приводит к проблеме неприемлемо высокого уровня внутрисистемных помех при условии их уплотнения до одного устройства на один квадратный метр. Адаптивное диаграммообразование может потенциально компенсировать высокий уровень помех за счет формирования максимума диаграммы направленности антенны на источник/приемник полезного сигнала и минимума диаграммы направленности антенны на источник/приемник мешающего сигнала. Широкому распространению диаграммообразования в сетях радиодоступа пятого и последующих поколений способствует переход радиоинтерфейса в диапазон миллиметровых волн и развитие многоантенных систем. Минимизация внутрисистемных помех устройств, работающих в общем диапазоне частот в режиме диаграммообразования, осуществляется за счет их пространственного мультиплексирования и углового/территориального разноса. Для управления диаграммой направленности может использоваться известный подход предварительного анализа обучающих последовательностей о текущей обстановке в радиоканале CSI (Channel State Information), однако его накладные расходы становятся неприемлемо высокими в условиях сверхплотного распределения подвижных и неподвижных устройств. Альтернативным подходом к управлению диаграммой направленности является так называемое диаграммообразование на основе позиционирования/местоположения LAB (Location Aware Beamforming). Обоснованность, актуальность и перспективность данного подхода определяется тем фактом, что для сетей 5G в последних спецификациях 3GPP, в отличие от сетей предыдущих поколений, впервые формализованы требования к точности позиционирования устройств до одного метра. Достижение такой точности становится возможным за счет нового радиоинтерфейса на физическом уровне, однако новая устройство-центрическая архитектура сети радиодоступа, включая непосредственную связь устройств друг с другом D2D (Device-to-Device), порождает новые проблемы управления диаграммой направленности устройств на канальном и сетевом уровнях. Первоначальные исследования в области диаграммообразования на основе позиционирования уже проводились на протяжении последних трех лет, однако преимущественно для частного сценария одной радиолинии между базовой станцией и подвижным устройством с целью оценки координат устройства и для частного сценария взаимного влияния двух радиолиний между одной базовой станцией и двумя стационарными устройствами с целью оценки помех. Проблема оценки помех в радиолиниях с диаграммообразованием для подвижных устройств осложняется существенной (десятки дБ) зависимостью мгновенного отношения сигнал/помеха от текущего пространственного и/или углового разноса устройств, а также совокупностью других факторов. В настоящем проекте впервые планируется разработать научно-обоснованную методологию управления диаграммой направленности на основе позиционирования устройств миллиметрового диапазона сверхплотных сетей радиодоступа пятого и последующих поколений для сценариев: а) отдельной радиолинии; б) двух радиолиний; в) совокупности радиолиний одной соты; г) совокупности сот сети радиодоступа. В отличие от известных частных сценариев, предлагаемая методология управления диаграммой направленности на основе позиционирования устройств миллиметрового диапазона сверхплотных сетей радиодоступа учитывает комплекс условий построения сетей и сценариев функционирования устройств сетей связи пятого и последующих поколений, в том числе: а) комбинирование разнообразных первичных измерений гетерогенной сети радиодоступа, а также точность и скорость позиционирования устройств; б) конфигурацию антенных решеток стационарных и подвижных устройств; в) точность и скорость диаграммообразования и/или определения направления прихода сигнала; г) географическую протяженность, подвижность и плотность подвижных и стационарных устройств. Разработанные модели оценки внутрисистемных помех в совокупности с разработанной методологией управления диаграммой направленности впервые позволят численно обосновать территориальный и угловой разнос соседних приемопередающих устройств для заданного комплекса условий построения сетей и сценариев функционирования устройств, что позволит впервые научно-обоснованно установить теоретические и практически реализуемые пределы уплотнения числа одновременно работающих в режиме пространственного мультиплексирования приемопередающих устройств сетей связи пятого и последующих поколений.

Ожидаемые результаты
1. Требования к точности и скорости работы методов сетевого позиционирования для подвижных и неподвижных устройств с целью управления диаграммой направленности в отдельной радиолинии сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 2. Модели и методы оценки точности и скорости определения направления прихода/ухода сигнала (DOA/DOD) и адаптивного трехмерного формирования луча (3D Beamforming) на прием/передачу для подвижных и неподвижных устройств в отдельной радиолинии сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 3. Рекомендации по управлению и координацией адаптивно-формируемыми лучами в сетях радиодоступа 5G NR с учетом спецификаций 3GPP. 4. Модели радиоканала для исследования и разработки комплекса моделей и методов управления диаграммой направленности на основе позиционирования устройств сверхплотных сетей радиодоступа миллиметрового диапазона. 5. Модели и методы выравнивания лучей отдельной радиолинии в зависимости от размерности антенных решеток и степени подвижности устройств сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 6. Модели оценки внутрисистемных помех в зависимости от размерности антенных решеток, степени подвижности устройств и их территориального/углового разноса для сценария взаимного влияния двух радиолиний сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 7. Допустимый территориальный/угловой разнос одновременно работающих в режиме диаграммообразования устройств для сценария взаимного влияния двух радиолиний сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 8. Модели и методы пространственной селекции полезного SOI и мешающего SNOI сигналов при работе на передачу и прием для сценария взаимного влияния двух радиолиний сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 9. Модели оценки внутрисистемных помех в зависимости от размерности антенных решеток, степени подвижности устройств и их территориального/углового разноса для сценария взаимного влияния совокупности радиолиний одной соты сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 10. Допустимый территориальный/угловой разнос одновременно работающих в режиме диаграммообразования устройств для сценария взаимного влияния совокупности радиолиний одной соты сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 11. Модели и методы пространственной селекции полезных SOI и мешающих SNOI сигналов при работе на передачу и прием для сценария взаимного влияния совокупности радиолиний одной соты сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. 12. Модели, методы и рекомендации по управлению адаптивно-формируемыми лучами в совокупности сот сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона пятого и последующих поколений. Комплекс полученных научных результатов является решением научной проблемы диаграммообразования на основе позиционирования устройств сверхплотной сети миллиметрового диапазона, и служит методологии научно-обоснованного построения, функционирования и управления сетями пятого и последующих поколений. Решения научной проблемы диаграммообразования на основе позиционирования устройств сверхплотной сети миллиметрового диапазона позволит впервые практически реализовать концепцию пространственного мультиплексирования устройств сверхплотной сети пятого и последующих поколений и, таким образом, на порядки (по сравнению с сетями предыдущих поколений) повысить плотность одновременно работающих приемопередающих устройств (до одного устройства на один квадратный метр) без необходимости пропорционального увеличения частотно-временного ресурса.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По задаче 1 с использованием технологий программно-конфигурируемого радио SDR разработан, реализован на отладочных платах USRP и экспериментально апробирован в лабораторных условиях демонстратор технологии сетевого позиционирования стандарта 4G LTE. В результате лабораторных испытаний экспериментально подтверждена точность первичных измерений в единицы метров при обработке сигналов в полосе 1,4 МГц и накоплении до 20 кадров длительностью 10 мс, т.е. за 0,2 с. Обозначены пути повышения точности измерений за счет дробной оценки времени прихода сигнала и скорости обработки при переходе программной реализации алгоритмов с языка Matlab в платах USRP на язык HDL в ПЛИС до 20 мс. https://ieeexplore.ieee.org/document/9744391 https://ieeexplore.ieee.org/document/9858259 https://ieeexplore.ieee.org/document/9965455 https://vestnik.sibsutis.ru/jour/article/view/152 http://media-publisher.ru/wp-content/uploads/Nom-5-2022s.pdf С использованием программного обеспечения Matlab и пакета расширения 5G Toolbox выполнено моделирование процедур формирования, передачи, приема и обработки специальных опорных сигналов PRS стандарта 5G NR для позиционирования устройств методом наблюдаемой разности времен прихода сигналов. Результаты моделирования показали, что в диапазоне FR1 точность оценок координат менее одного метра посредством обработки одного кадра стандарта 5G NR длительностью 10 мс достигается при увеличении ширины полосы частот с 50 до 60 МГц, а максимальная точность позиционирования в диапазоне FR2 в канале с шириной полосы частот 400 МГц и частотой дискретизации 491,52 МГц составляет 0,2 м. Для повышения точности позиционирования в стандарте 5G NR, как и в LTE, может использоваться накопление измерений в течение нескольких кадров, а также реализация подсистемы обработки с дробной оценкой времени прихода сигнала. https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/369 https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/401 Исследование взаимосвязи времени когерентности канала, скорости движения устройства и ширины луча по уровню половинной мощности HPBW показало, что для поддержания времени когерентности не менее 10 мс при скоростях движения 5 км/ч, 60 км/ч и 250 км/ч рекомендованы лучи шириной не более 60°, 20° и 10° соответственно. Для категорий точности позиционирования 3 м, 1 м и 0,3 м при удалении устройств до 20 м неточность ориентации по азимуту не должна превышать 8,5°, 2,8° и 0,8° соответственно. https://ieeexplore.ieee.org/document/9965501 По задаче 2 моделирование алгоритма комбинированного измерения азимута и угла места 2D-MUSIC показало, что при использовании антенных решёток (АР) с количеством элементов 64 и более, и шагом перебора углов 0,25° пространственное разрешение устройств по азимуту и углу места составляет не более 2°. Для подвижных устройств исследование влияния фильтра Калмана на точность сопровождения устройств по угловым координатам показало, что средние значения погрешностей по азимуту не превышают ±1° для слабо маневрирующих (<60 км/ч) устройств и ±2° для быстро маневрирующих (>150 км/ч) устройств; это позволяет обеспечить бесшовное сопровождение маневров устройства при работе лучами в радиусе микросоты. https://ieeexplore.ieee.org/document/9803449 https://ieeexplore.ieee.org/document/9950959 По задаче 3 анализ спецификаций 3GPP по управлению и координацией адаптивно-формируемыми лучами в сетях 5G NR подтвердил необходимость использования данных о местоположении устройств в задачах ориентации лучей для существенного сужения диапазона перебора по заданному набору дискретных направлений передачи/приема по азимуту и/или углу места в пространстве, устанавливаемому числом блоков сигналов синхронизации. https://elsv.ru/vyshel-v-svet-2-zhurnala-elektrosvyaz-za-2022-god/ По задаче 4 в имитационной модели реализовано формирование канальной матрицы и ее пространственная обработка для широкополосного сигнала в заданном сценарии сверхплотного территориального распределении устройств и отражателей, выполнена векторизация пространства принятых сигналов и формирование базиса для обработки многолучевых компонент, продемонстрирована работа алгоритма сжатого зондирования (compressed sensing) для извлечения отдельных многолучевых компонент с последующей оценкой координат и ориентации по установленным из многолучевых компонент параметрам времен прихода, азимутальным углам ухода и прихода. https://ieeexplore.ieee.org/document/9950825 https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2022680598&TypeFile=html https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2022680542&TypeFile=html По задаче 5 имитационное моделирование процедуры выравнивания лучей при начальном установлении соединения и при ведении связи в сетях 5G NR показало, что для более точного выравнивания лучей следует увеличивать размерность числа элементов антенной решетки с целью сужения ширины диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности, а также увеличивать число блоков сигналов синхронизации SSB, определяющих число дискретных направлений последовательного сканирования лучом при работе на передачу и прием. Однако фиксированный период повторения пакета блоков SSB приводит к неприемлемо высоким задержкам, например, при длительности блока SSB 20 мс и наборе из 64 направлений процедура выравнивания займет 64·20=1280 мс, что неприемлемо для высокоподвижных устройств. Для ускорения выравнивания лучей без ущерба для точности их ориентации требуется сузить область первоначального поиска, что может быть достигнуто за счет знания местоположения устройств. https://dl.acm.org/doi/fullHtml/10.1145/3508072.3508183 https://www.lastmile.su/journal/article/9207 https://www.lastmile.su/journal/article/9371 По задачам 6-8 разработана и программно реализована имитационная модель оценки отношения сигнал/помеха SIR для различных сценариев работы двух радиолиний сверхплотной сети радиодоступа с использованием антенных решеток трех типов (планарная, линейная, круговая). Имитационная модель Matlab: https://github.com/grihafokin/LAB_link_level http://www.vestnik-sviazy.ru/journals/vestnik-svyazi/vestnik-svyazi-oktyabr-2022/ Результаты моделирования отношения сигнал/помеха при варьировании территориального разноса двух радиолиний gNB-UE показали, что карта значений SIR имеет локальные максимумы, количество и положение которых определяется формой ДНА АР gNB. Значения SIR уменьшаются по мере удаления UE от обслуживающей gNB и приближения к соседней gNB. При этом явной зависимости SIR от территориального разноса двух UE не наблюдается. Результаты моделирования отношения сигнал/помеха при варьировании углового разноса двух радиолиний gNB-UE показали, что на характер зависимости SIR влияет, в первую очередь, форма ДНА АР gNB. Критерий минимально допустимого углового разноса двух радиолиний UE при работе gNB с АР с заданным числом элементов определяется шириной главного лепестка ДНА. Например, для порогового значения SIR=10 дБ минимально допустимый угловой разнос двух UE составляет порядка 23, 11, 7, 5 градусов для числа N равного 2, 4, 6, 8 соответственно, где N – число элементов на одной стороне квадратной планарной АР. Критерий максимально допустимого углового разноса определяется уровнем бокового лепестка ДНА при больших углах отклонения максимума ДНА АР. Например, для порогового значения SIR=10дБ максимально допустимый угловой разнос двух UE составляет порядка 38, 57, 65, 70 градусов для числа N равного 2, 4, 6, 8 соответственно.

Публикации

1. Барышев О.С., Фокин Г.А. Функциональные возможности 5G Matlab АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 41-45. (год публикации - 2022)

2. Волгушев Д.Б., Фокин Г.А. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. Receiver Development IEEE Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2022 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2022, pp. 1-6 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/TIRVED56496.2022.9965455

3. Г.А. Фокин, К.Г. Смирнова Направленные радиолинии в сетях 5G: сканирование лучом при начальном установлении соединения АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 355-359. (год публикации - 2022)

4. Г.А. Фокин, К.Г. Смирнова Направленные радиолинии в сетях 5G: уточнение ориентации лучей при ведении радиосвязи АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 360-365. (год публикации - 2022)

5. Гришин И.В., Фокин Г.А. Оценка допустимого углового разноса устройств для сценария диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона Вестник СибГУТИ, - (год публикации - 2022)

6. Гришин И.В., Фокин Г.А. Analysis of Tracking Filter Impact on Location-Aware Beamforming in 5G mm Wave UDN EEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2022, pp. 95-98 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950959

7. Д.С. Рябиков, Г.А. Фокин Трехмерное формирование луча АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 344-349. (год публикации - 2022)

8. И.А. Никитин, Г.А. Фокин Применение MIMO для радиосвязи в миллиметровом диапазоне АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 319-324. (год публикации - 2022)

9. Рютин К.Е., Фокин Г.А. Особенности реализации приемника системы позиционирования в сети LTE с помощью сигналов PRS методом OTDOA АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ИНФОТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ (АПИНО 2022). Сборник научных трудов XI Международной научно-технической и научно-методической конференции, В сборнике: Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2022). Санкт-Петербург, 2022. С. 339-344. (год публикации - 2022)

10. Фокин Г., Григорьев В., Авдонин И. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 1. Архитектура АО "Рекламно-издательский центр "Техносфера", Первая миля. 2022. № 4 (104). С. 34-41. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022.104.4.34.41

11. Фокин Г., Григорьев В., Аксенов В. Технология сетевого позиционирования LTE. Часть 2. Форматы оценок координат АО "Рекламно-издательский центр "Техносфера", Первая миля. 2022. № 7 (107). С. 60-71. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022.107.7.60.70

12. Фокин Г.А. Channel Model for Location-Aware Beamforming in 5G Ultra-Dense mmWave Radio Access Network EEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2022 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2022, pp. 109-113 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/EExPolytech56308.2022.9950825

13. Фокин Г.А. Vehicle Positioning Requirements for Location-Aware Beamforming in 5G UDN IEEE Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2022 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2022, pp. 1-6 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/TIRVED56496.2022.9965501

14. Фокин Г.А. Bearing Measurement with Beam Refinement for Positioning in 5G Networks ACM International Conference Proceeding Series, The 5th International Conference on Future Networks & Distributed SystemsDecember 2021 Pages 537–545 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1145/3508072.3508183

15. Фокин Г.А. Концепция диаграммообразования на основе позиционирования в сетях 5G Информационное и рекламно-издательское агентство по связи и информатике, Вестник связи. 2022. № 10. С. 1-7. (год публикации - 2022)

16. Фокин Г.А. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 1. Выравнивание лучей при установлении соединения АО "Рекламно-издательский центр "Техносфера", Первая миля. 2022. № 1 (101). С. 42-49. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022.101.1.42.49

17. Фокин Г.А. Модели управления лучом в сетях 5G NR. Часть 2. Выравнивание лучей при ведении радиосвязи АО "Рекламно-издательский центр "Техносфера", Первая миля. 2022. № 3 (103). С. 62-69. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.22184/2070-8963.2022.103.3.62.68

18. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 1. Конфигурация сигналов PRS Труды учебных заведений связи, Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 2. С. 48-63. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31854/1813-324X-2022-8-2-48-63

19. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования метровой точности 5G NR. Часть 2. Обработка сигналов PRS Труды учебных заведений связи, Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 3. С. 80-99. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31854/1813-324X-2022-8-3-80-99

20. Фокин Г.А. Процедуры выравнивания лучей устройств 5G NR Электросвязь, 2022. № 2. С. 26-31. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.34832/ELSV.2022.27.2.003

21. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR-технологии для задач сетевого позиционирования. Модели приема и обработки опорных сигналов LTE Вестник СибГУТИ, Вестник СибГУТИ. 2022;(3):62-83. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.55648/1998-6920-2022-16-3-62-83

22. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. Problem Statement IEEE Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, 2022 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, 2022, pp. 1-6 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/IEEECONF53456.2022.9744391

23. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. Transmitter Development IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), 2022 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), 2022, pp. 153-158 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/BlackSeaCom54372.2022.9858259

24. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Харин В.Н. Использование SDR технологии для задач сетевого позиционирования. Формирование опорных сигналов LTE Издательский дом Медиа Паблишер, T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Т. 16. № 5. С. 28-47. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.36724/2072-8735-2022-16-5-28-47

25. Фокин Г.А., Гришин И.В. Direction of Arrival Positioning Requirements for Location-Aware Beamforming in 5G mmWave UDN IEEE Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2022 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2022, pp. 1-6 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/WECONF55058.2022.9803449

26. Фокин Г.А., Гришин И.В., Окунева Д.В., Бородин А.С. Анализ работы фильтра сопровождения для сценария диаграммообразования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона Электросвязь, Электросвязь. 2022. № 10. С. 6-15. (год публикации - 2022)

27. Фокин Г.А., Маколкина М.А., Елагин В.С., Тефикова М.Р., Кузьмина Е.А. Имитационная модель оценки точности позиционирования и ориентации устройств сверхплотных сетей 6G по широкополосным сигналам терагерцового диапазона на плоскости -, 2022680542 (год публикации - )

28. Фокин Г.А., Маколкина М.А., Елагин В.С., Тефикова М.Р., Кузьмина Е.А. Имитационная модель оценки точности позиционирования, ориентации и синхронизации устройств сверхплотных сетей 6G по широкополосным сигналам терагерцового диапазона в пространстве -, 2022680598 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По задаче 9.1 разработана математическая, алгоритмическая и имитационная модель управления ориентацией и шириной лучей (в градусах по азимуту и углу места) базовой станции gNB на каждое пользовательское устройство UE в зависимости от погрешности позиционирования UE (по категориям точности в метрах) в сотах сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. Модель впервые позволила установить взаимозависимость факторов погрешности позиционирования UE, требуемой ширины луча для его обслуживания и отношения SINR. В отличие от похожих исследований в разработанной модели вклад от помех одновременно работающих лучей внутри своего сектора, других секторов своей соты и других сот сети впервые показан по отдельности, что позволяет дифференцировать происхождение помех и использовать научно-обоснованное управление лучом для их компенсации. По задаче 9.2 установлена зависимость уровня внутрисистемных помех (в дБ) от погрешности позиционирования пользовательских устройств (по категориям точности в метрах) при управлении базовой станцией ориентацией и шириной лучей (в градусах по азимуту и углу места) в составе сверхплотных сетей радиодоступа миллиметрового диапазона. Показано, что с уменьшением погрешности позиционирования с 10 до 1 м отношение SINR увеличивается на ~25 дБ, а ширина луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях уменьшается с 14° до 3° и с 6° до 3°, соответственно. Приближенной оценкой можно считать рост SINR на ~2-3 дБ при повышении точности на 1 м. По задаче 9.3 установлена зависимость уровня внутрисистемных помех (в дБ) от плотности пользовательских устройств UE при управлении базовой станцией gNB ориентацией и шириной лучей (в градусах по азимуту и углу места) в составе сверхплотных сетей радиодоступа миллиметрового диапазона. Показано, что с увеличением размера соты от 20 до 300 м отношение SINR увеличивается на ~30 дБ при ограничении на ширину луча в 3° и на ~35 дБ при ограничении на ширину луча в 1°. C увеличением числа устройств в секторе соты от 2 до 64 отношение SINR уменьшается на ~50 дБ; при этом требуемая ширина луча не зависит от числа устройств в секторе соты. Косвенно оценить влияние территориального разноса устройств на потенциал их пространственного мультиплексирования по критерию SINR и ширины луча можно следующим образом. Например, при радиусе соты 20 м на площади сектора 346 м2 каждое из 64 устройств занимает ~5 м2, и для положительного SINR требуется луч шириной в 1°. Результаты опубликованы и доступны: https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/514/487. https://ieeexplore.ieee.org/document/10318704 https://github.com/grihafokin/LAB_system_level_rus По задаче 10 установлен допустимый по критерию отношения сигнал/помеха территориальный разнос одновременно работающих в режиме диаграммообразования базовых станций gNB и пользовательских устройств UE для сценария взаимного влияния совокупности радиолиний одной соты сверхплотной сети радиодоступа миллиметрового диапазона. Оценка отношения сигнал/помеха выполнена по заданному набору точек на плоскости в сценариях с фиксированным и варьируемым территориальным разносом устройств. Разнос устройств определяется областью допустимых отношений сигнал/помеха на плоскости, которые представлены в виде цветовых карт. Результаты опубликованы и доступны: https://www.mdpi.com/2078-2489/14/1/40 (Q2 WoS) https://ieeexplore.ieee.org/document/10332675 https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/498/466 https://www.lastmile.su/journal/article/10118 https://github.com/grihafokin/LAB_link_level_past_rus https://github.com/grihafokin/LAB_link_level_rus https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2022683678&TypeFile=html https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2022683893&TypeFile=html По задаче 11 установлена зависимость потенциала пространственной фильтрации полезных и мешающих сигналов (по критерию отношения сигнал/помеха в дБ) от погрешности позиционирования пользовательских устройств (по категориям точности в метрах) при учете типа (линейная, планарная, круговая) и размерности антенных решеток, степени подвижности пользовательских устройств UE и их территориального (в метрах) и углового (в градусах) разноса. Разработана модель оценки SIR с использованием трех алгоритмов управления формой диаграммы направленности (ДН): 1) управление положением одного максимума и одного нуля ДН; 2) адаптивная схема управления ДН; 3) управление шириной главного лепестка ДН. Анализ проводится в сравнении с алгоритмом управления только максимумом ДН для различных значений среднеквадратического отклонения (СКО) оценки координат UE. В качестве сравнительной метрики выбрана величина ∆SIR в дБ, равная разности значений SIR исследуемого алгоритма и алгоритма управления только максимумом ДН. Анализ алгоритма формирования максимума ДН в направлении обслуживаемой UE (SOI) и нуля ДН в направлении соседней UE (SNOI) показал, что наибольший вклад в ∆SIR вносит ошибка направления максимума ДН, вызванная СКО координат SOI UE. Этот алгоритм наиболее эффективен при небольшом числе антенных элементов (АЭ) антенной решетки (АР); в частности, для АР из не более 5 АЭ и СКО оценки координат UE не более 7 м величина ∆SIR составляет более 10 дБ. Алгоритм управления шириной ДН использует прямоугольную оконную функцию (прямоугольная ДН) и функцию Гаусса (ДН Гаусса) для формирования ДН заданной формы, ширина которой пропорциональна СКО оценки координат UE. Этот алгоритм наиболее эффективен при большом числе АЭ и СКО; в частности, для АР размерностью более 15 АЭ и СКО более 5 м величина ∆SIR составляет более 10 дБ для прямоугольной ДН и ДН Гаусса. Адаптивное ДО не использует данные о местоположении, а направления SOI и SNOI вычисляются по принятому обучающему сигналу; при этом ∆SIR не зависит от СКО и составляет более 100 дБ. Недостатком адаптивного ДО является сложность аппаратной реализации. По задаче 12.1 проведены полевые испытания SDR демонстратора технологии сетевого позиционирования с экспериментальным подтверждением достижения дециметровой точности за период одного кадра в 10 мс. Результаты опубликованы: https://ieeexplore.ieee.org/document/10092150 https://ieeexplore.ieee.org/document/10332559 https://vestnik.sibsutis.ru/jour/article/view/790 https://vestnik.sibsutis.ru/jour/article/view/854 По задаче 12.2 разработана имитационная модель высокоточной угломерной оценки координат и ориентации устройств по прямым и отраженным лучам сигналов миллиметрового диапазона в сценариях работы сверхплотных сетей радиодоступа. Результаты моделирования показали, что процедура пространственного сглаживания корреляционной матрицы улучшает рабочие характеристики метода 2D-MUSIC при разбиении антенной решётки вдоль горизонтальной оси на подрешетки прямоугольной формы, в результате чего достигается угловой разнос между устройствами в 3°. Результаты опубликованы: https://ieeexplore.ieee.org/document/10148006 https://vestnik.sibsutis.ru/jour (первый номер 2024 года) По задаче 12.3 разработан алгоритм и методики уточнения ориентации лучей для подвижных устройств путем сканирования в ограниченном пространстве на основе известного с заданной погрешностью местоположения. Для снижения ошибок ориентации лучей высокоподвижных устройств предложен метод, использующий оценки состояния канала, полученные на предыдущем этапе настройки. В результате для каждого пути распространения количество лучей в одной из обучающих последовательностей набора составляет 4, вместо 64 обучающих лучей, необходимых в стандартной процедуре P-1, что позволяет до 16 раз снизить время их ориентации. Результаты опубликованы: https://ieeexplore.ieee.org/document/10148028 https://ieeexplore.ieee.org/document/10318699

Публикации

1. Волгушев Д.Б., Фокин Г.А. Location-Aware Beamforming in 5G mmWave UDN. Part 2. Spatial Selection by Beam Width Control 2024 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, 2024 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russian Federation, 2024, pp. 1-6 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1109/IEEECONF60226.2024.10496764

2. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Модели пространственной селекции при диаграммообразовании на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона Компьютерные исследования и моделирование, Компьютерные исследования и моделирование. 2024. Т. 16. № 1. С. 195-216. (год публикации - 2024) https://doi.org/10.20537/2076-7633-2024-16-1-195-216

3. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Location-Aware Beamforming in 5G mmWave UDN. Part 1. Spatial Selection by Beam Shape Control 2024 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, 2024 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russian Federation, 2024, pp. 1-5 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.1109/IEEECONF60226.2024.10496773

4. Фокин Г.А., Гришин И.В. Оценка влияния процедуры пространственного сглаживания корреляционной матрицы на эффективность метода 2D-MUSIC Вестник СибГУТИ, Вестник СибГУТИ. Том 18. 2024. № 1 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.55648/1998-6920-2024-18-1-91-108

5. Фокин Г.А., Гришин И.В. Метод управления лучом в сверхплотных сетях для подвижных устройств путем сканирования Информация и космос, Информация и космос. 2024. № 1. С. 6-15. (год публикации - 2024)

6. Барышев О.С., Фокин Г.А. Модель работы диаграммообразующей схемы антенной решетки по алгоритму задержки и суммирования Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023., Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 71-76. (год публикации - 2023)

7. Волгушев Д.Б., Фокин Г.А. Link Level Simulation Model for Vehicles with Location-Aware Beamforming in 5G mmWave Ultra-Dense Networks 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/TIRVED58506.2023.10332675

8. Гришин И.В., Фокин Г.А. Оценка влияния процедуры пространственного сглаживания корреляционной матрицы на эффективность метода 2D-MUSIC Вестник СибГУТИ, - (год публикации - 2024)

9. Никитин И.А., Фокин Г.А. Оценка спектральной эффективности систем гибридного диаграммообразования Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023, Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 429-434. (год публикации - 2023)

10. Рютин К.Е., Ушкова И.Г., Фокин Г.А. Программный модуль приема координат в формате NMEA и отображения местоположения на цифровой модели местности в среде Matlab Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023, Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 464-469. (год публикации - 2023)

11. Рютин К.Е., Фокин Г.А. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. MIB Transceiver Development 2023 Seminar on Signal Processing, 2023 Seminar on Signal Processing (год публикации - 2024)

12. Рютин К.Е., Фокин Г.А. Процедуры кодирования местоположения в геоцентрической глобальной системе координат WGS-84 по спецификации 3GPP TS 23.032 Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023., Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 469-474. (год публикации - 2023)

13. Смирнова К.Г., Никитин И.А., Барышев О.С., Фокин Г.А., Прилуцкая У.И. Beamforming and Direction of Arrival Estimation for Beam Management in 5G mmWave UDN 2023 Seminar on Signal Processing, 2023 Seminar on Signal Processing (год публикации - 2023)

14. Фокин Г.А. Достижение дециметровой точности позиционирования в гетерогенных сетях NR-Wi-Fi Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023., Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 542-547. (год публикации - 2023)

15. Фокин Г.А. Модель технологии сетевого позиционирования дециметровой точности стандарта IEEE 802.11az Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023., Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО 2023). Сборник научных статей XII Международной научно-технической и научно-методической конференции: в 4 т.. Санкт-Петербург, 2023. С. 537-542. (год публикации - 2023)

16. Фокин Г.А. Диаграммообразование на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона. Часть 1. Модель двух радиолиний Труды учебных заведений связи., Труды учебных заведений связи. 2023. Т. 9. № 4. С. 44‒63. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31854/1813-324X-2023-9-4-44-63

17. Фокин Г.А. Диаграммообразование на основе позиционирования в сверхплотных сетях радиодоступа миллиметрового диапазона. Часть 2. Модель совокупности радиолиний Труды учебных заведений связи, Труды учебных заведений связи. 2023. Т. 9. № 5. С. 43‒64. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31854/1813-324X-2023-9-5-43-64

18. Фокин Г.А. Model for SINR Evaluation in 5G mmWave Ultra-Dense Network with Location-Aware Beamforming 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), ST PETERSBURG, Russian Federation, 2023, pp. 198-201 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/EExPolytech58658.2023.10318704

19. Фокин Г.А. Анализ работы диаграммообразующей схемы антенной решетки по алгоритму задержки и суммирования в задачах позиционирования 78-я Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио: сб. докладов / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Санкт-Петербург. 2023. 493 с., СПбНТОРЭС: труды ежегодной НТК. 2023. № 1 (78). С. 30-36. (год публикации - 2023)

20. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR-технологии для задач сетевого позиционирования. Процедуры приема и обработки опорных сигналов LTE Вестник СибГУТИ., Вестник СибГУТИ. 2023. Т. 17, № 1. С. 52–65 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.55648/1998-6920-2023-17-1-52-65

21. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Использование SDR-технологии для задач сетевого позиционирования. Апробация приема и обработки опорных сигналов LTE Вестник СибГУТИ, Вестник СибГУТИ. 2023. Т. 17, № 3. С. 23–33 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.55648/1998-6920-2023-17-3-23-33

22. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Имитационная модель двух радиолиний с диаграммообразованием на основе позиционирования в сетях 5G ПЕРВАЯ МИЛЯ, ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2023. № 7. С. 38−46. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.22184/2070-8963.2023.115.7.38.46

23. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. Receiver Processing Procedures 2023 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, 2023 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-7 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/IEEECONF56737.2023.10092150

24. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Model for Interference Evaluation in 5G Millimeter-Wave Ultra-Dense Network with Location-Aware Beamforming Information, Information 2023, 14(1), 40 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/info14010040

25. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б., Григорьев В.А., Рютин К.Е. Software-Defined Radio Network Positioning Technology Design. Field Experiment Demonstrator 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), 2023 Intelligent Technologies and Electronic Devices in Vehicle and Road Transport Complex (TIRVED), Moscow, Russian Federation, 2023, pp. 1-6 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/TIRVED58506.2023.10332559

26. Фокин Г.А., Гришин И.В., Окунева Д.В. Downlink Transmit-End Beam Refinement for mmWave Communications Under Mobility 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), 2023 International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech), ST PETERSBURG, Russian Federation, 2023, pp. 95-98 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/EExPolytech58658.2023.10318699

27. Фокин Г.А., Гришин И.В., Севидов В.В. Location-Aware Beamforming Method for Time Varying Angle Of Departure in 5G mmWave Ultra-Dense Networks 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), St. Petersburg, Russian Federation, 2023, pp. 1-6 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/WECONF57201.2023.10148028

28. Фокин Г.А., Гришин И.В., Севидов В.В., Окунева Д.В. Analysis of the Spatial Smoothing Influence on the Perfomance of 2D-MUSIC for Ultra-Dense Networks 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), 2023 Wave Electronics and its Application in Information and Telecommunication Systems (WECONF), St. Petersburg, Russian Federation, 2023, pp. 1-6 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1109/WECONF57201.2023.10148006

29. Фокин Г.А., Рютин К.Е. Программный модуль обработки данных протокола NMEA и отображение местоположения на цифровой модели местности в среде Matlab 78-я Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио: сб. докладов / СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Санкт-Петербург. 2023. 493 с., СПбНТОРЭС: труды ежегодной НТК. 2023. № 1 (78). С. 37-43. (год публикации - 2023)

30. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Имитационная модель оценки внутрисистемных помех для сценария двух радиолиний с диаграммообразованием в составе сверхплотной сети радиодоступа диапазона миллиметровых волн Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU 2022683678, 07.12.2022., 2022683678 (год публикации - 2023)

31. Фокин Г.А., Волгушев Д.Б. Имитационная модель пространственной селекции полезного и мешающего сигналов для сценария двух радиолиний с диаграммообразованием в составе сверхплотной сети радиодоступа диапазона миллиметровых волн -, 2022683893 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Разработанный в рамках решения первой задачи демонстратор технологии сетевого позиционирования LTE экспериментально подтвердил возможность достижения дециметровой точности позиционирования за интервал длительности одного кадра, т.е. за 10 мс. Решение навигационной задачи по сигналам сетей связи актуально как для технологических сетей радиосвязи, так и для сетей подвижной связи операторского класса. Результат проекта может использоваться на предприятиях реального сектора экономики при построении комплексированной навигационной системы услуг локации (КОНСУЛ), которая позволяет решать задачу определения местоположения объектов независимо от работы глобальных навигационных спутниковых систем. Полученные в области прототипирования технологии сетевого позиционирования результаты и компетенции востребованы при формировании научных и технологических заделов для построения сетей связи 6G https://www.sut.ru/meganetlab/about Комплекс полученных результатов по управлению лучом в сверхплотных сетях радиодоступа актуален и востребован при разработке прототипов перспективного оборудования сетей связи пятого и последующих поколений https://labics.ru/projects/5g-new-radio/