Комплексное исследование точности позиционирования устройств в сетях LTE в условиях прямой видимости

Введение. Активное развитие технологий подвижной радиосвязи 5G и Beyond 5G не снижает актуальности и востребованности исследований точности позиционирования в повсеместно развернутых сетях 4G LTE. В настоящей статье представлены оригинальные результаты комплексного исследования точности позиционирования устройств в сетях LTE в условиях прямой видимости. Цель работы. Научное обоснование возможности достижения точности оценок координат пользовательского устройства (user equipment – UE) менее одного метра при надлежащем выборе параметров опорных сигналов позиционирования (positioning reference signal – PRS) и конфигурации сети радиодоступа LTE. Материалы и методы. Выполнена оценка пределов точности первичных измерений времени прихода сигнала (TOA) в отдельной радиолинии между базовой станцией (eNB) и UE по опорным сигналам позиционирования PRS методами математического и имитационного моделирования, включая вычисление нижней границы Крамера–Рао для первичных измерений TOA, исследованы алгоритмы оценки TOA методом максимального правдоподобия и оценки Фитца. Показаны пределы точности оценок координат при вторичной обработке первичных измерений TOA методом наблюдаемой разности времен прихода сигналов (OTDOA). Результаты. Установлено, что увеличение полосы пропускания PRS приводит к снижению среднеквадратичной ошибки (RMSE) позиционирования. При использовании 6 ресурсных блоков точность позиционирования менее 1 м достигается в скоординированной сети. В нескоординированных сетях влияние межсотовых помех значительно ухудшает точность, особенно вблизи eNB, где RMSE может достигать 100 м. Заключение. Проведенное исследование подтверждает возможность достижения дециметровой точности позиционирования UE в сетях LTE в условиях прямой видимости eNB. Полученные результаты имеют практическую значимость для оптимизации параметров сети и могут служить основой для дальнейших исследований.

1. Understanding GPS/GNSS: Principles and Applications / ed. by E. D. Kaplan, C. J. Hegarty (eds.). 3rd ed. Norwood, Massachusetts: Artech House, 2017. 1066 p.

2. Survey of Cellular Mobile Radio Localization Methods: from 1G to 5G / J. A. del Peral-Rosado, R. Raulefs, J. A. López-Salcedo, G. Seco-Granados //IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2018. Vol. 20, № 2. P. 1124–1148. doi: 10.1109/COMST.2017.2785181

3. Zekavat R., Buehrer R. M. Handbook of Position Location: Theory, Practice and Advances. Hobo ken, NJ: John Wiley & Sons, 2019. 1376 p.

4. 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

5. Fischer S. 5G NR Positioning // 5G and Beyond / ed. by X. Lin, N. Lee. Berlin/Heidelberg: Springer, 2021. P. 429–483. doi: 10.1007/978-3-030-58197-8_15

6. 5G PRS-Based Sensing: A Sensing Reference Signal Approach for Joint Sensing and Communication System / Z. Wei, Y. Wang, L. Ma, S. Yang, Z. Feng, C. Pan // IEEE Trans. on Vehicular Technology. 2022. Vol. 72, iss. 3. P. 3250–3263. doi: 10.1109/TVT.2022.3215159

7. Performance Evaluation of 5G-NR Positioning Accuracy Using Time Difference of Arrival Method / I. Müürsepp, M. Kulmar, O. Elgarhy, M. M. Alam, T. Chen, S. Horsmanheimo // IEEE Intern. Mediterranean Conf. on Communications and Networking (MeditCom), Athens, Greece, 07–10 Sept. 2021. IEEE, 2021. P. 494–499. doi: 10.1109/MeditCom49071.2021.9647652

8. Luan D. Fundamental Performance Limits on Time of Arrival Estimation Accuracy with 5G Radio Access. 2017. 49 p. URL: https://kth.diva-portal.org/smash/get/diva2:1182120/FULLTEXT01.pdf (дата обращения: 12.12.2025).

9. Gadka P., Sadowski J., Stefanski J. Detection of the First Component of the Received LTE Signal in the OTDOA Method // Wireless Communications and Mo bile Computing. 2019. P. 1–12. doi: 10.1155/2019/2708684

10. Фокин Г. А. Модель поиска топологии локальной дальномерной системы позиционирования 5G по заданному геометрическому фактору // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2021. Т. 44, № 4. С. 27–38.

11. Fokin G. TDOA Measurement Processing for Positioning in Non-Line-of-Sight Conditions // IEEE Intern. Black Sea Conf. on Communications and Networking (BlackSeaCom), Batumi, Georgia, 04–07 June 2018. IEEE, 2018. 5 p. doi: 10.1109/BlackSeaCom.2018.8433623

12. Alhafid A., Younis S. Observed Time Difference of Arrival Based Position Estimation for LTE Systems: Simulation Framework and Performance Evaluation // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. 2020. Vol. 3, iss. 9. P. 20–28. doi: 10.15587/1729-4061.2020.201382

13. Enhanced Time of Arrival Estimation and Quan tization for Positioning in LTE Networks / H. Rydén, A. A. Zaidi, S. Modarres, F. Gunnarsson, I. Siomina // IEEE 27th Annual Intern. Symp. on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Valencia, Spain, 04–08 Sept. 2016. IEEE, 2016. 6 p. doi: 10.1109/PIMRC.2016.7794634

14. Wang P., Morton Y. J. Impact Analysis of Intercell Interference in Cellular Networks for Navigation Applications // IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems. 2022. Vol. 59, iss. 1. P. 685–694. doi: 10.1109/TAES.2022.3186970

15. Position Accuracy of Joint Time-Delay and Channel Estimators in LTE Networks / J. A. Del Peral Rosado, J. A. López-Salcedo, F. Zanier, G. Seco Granados // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 25185–25199. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2827921

16. Performance Analysis of PRS-Based Synchronization Algorithms for LTE Positioning Applications / M. Panchetti, C. Carbonelli, M. Horvat, M. Luise // 10th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC), Dresden, Germany, 20–21 March 2013. IEEE, 2013. 6 p. doi: 10.1109/WPNC.2013.6533292

17. Catovic A., Sahinoglu Z. The Cramer-Rao Bounds of Hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS Location Estimation Schemes // IEEE Comm. Let. 2004. Vol. 8, iss. 10. P. 626–628. doi: 10.1109/LCOMM.2004.835319

18. Achievable Localization Accuracy of the Position ing Reference Signal of 3GPP LTE / J. A. Del Peral Rosado, J. A. López-Salcedo, G. Seco-Granados, F. Zanier, M. Crisci // Intern. Conf. on Localization and GNSS, Starnberg, Germany, 25–27 June 2012. IEEE, 2012. 6 p. doi: 10.1109/ICL-GNSS.2012.6253127

19. Фокин Г. А., Волгушев Д. Б. Использование SDR-технологии для задач сетевого позиционирования. Модели приема и обработки опорных сигналов LTE // Вестн. СибГУТИ. 2022. Т. 16, № 3. С. 62–83. doi: 10.55648/1998-6920-2022-16-3-62-83

20. Del Peral-Rosado J. A. Evaluation of the LTE Positioning Capabilities in Realistic Navigation Channels. Ph.D. Dissertation. Universitat Autònoma de Bar celona, 2014. 164 p. URL: https://ddd.uab.cat/pub/tesis/2014/hdl_10803_283523/jadpr1de1.pdf (дата обращения: 12.12.2025).

21. 3GPP TS 36.104. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Basestation (BS) Radio Transmission and Reception. Rel. 9. V9.13.0. 98 p. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/136100_136199/136104/09.13.00_60/ts_136104v091300p.pdf (дата обращения: 12.12.2025).

22. Kay S. M. Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1993. 595 p.

23. Пойа Д. Математика и правдоподобные рассуждения. М.: Наука, 1975. 464 с.

24. 3GPP TS 36.211. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Physical Channels and Modulation. Rel. 9. V9.1.0. March 2010. 76 p. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/136200_136299/136211/09.01.00_60/ts_136211v090100p.pdf (дата обращения: 12.12.2025).

25. Wang P., Morton Y. J. Performance Comparison of Time-of-Arrival Estimation Techniques for LTE Signals in Realistic Multipath Propagation Channels // Navigation: J. of the Institute of Navigation. 2020. Vol. 67, iss. 4. P. 691–712. doi: 10.1002/navi.395

26. Van de Beek J. J., Sandell M., Borjesson P. O. ML Estimation of Time and Frequency Offset in OFDM Systems // IEEE Trans. on Signal Processing. 1997. Vol. 45, iss. 7. P. 1800–1805. doi: 10.1109/78.599949

27. Wang P., Morton Y. J. Multipath Estimating Delay Lock Loop for LTE Signal TOA Estimation in Indoor and Urban Environments // IEEE Trans. on Wireless Communications. 2020. Vol. 19, iss. 8. P. 5518–5530. doi: 10.1109/TWC.2020.2994037

28. Structure and Performance Analysis of Fusion Positioning System with a Single 5G Station and a Single GNSS Satellite / C. Guo, S. Qi, W. Guo, C. Deng, J. Liu // Geo-spatial Information Science. 2023. Vol. 26, iss. 1. P. 94–106. doi: 10.1080/10095020.2022.2144481

29. 3GPP TS 36.942. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Radio Frequency (RF) System Scenarios. Rel. 9. V9.3.0. URL: https://www.etsi.org/deliver/etsi_tr/136900_136999/136942/09.03.00_60/tr_136942v090300p.pdf (дата обращения: 12.12.2025).

30. Comprehensive Review on Coordinated Multi Point Operation for LTE-A / F. Qamar, K. B. Dimyati, M. N. Hindia, K. A. B. Noordin, A. M. Al-Samman // Computer Networks. 2017. Vol. 123. P. 19–37. doi: 10.1016/j.comnet.2017.05.003