High-accuracy positioning with 5G new radio technology in urban environments

Nowadays, localization systems are widely employed in various realities, such as mobility and industry 5.0, but also in daily life with smartphones and wearable devices. The requirements of modern applications become every year more demanding, especially for the cm-level accuracy essential for Vehicles-to-Everything (V2X) communication and autonomous driving. The most adopted localization system is the Global Navigation Satellite System (GNSS), however, it is not enough to achieve the desired performance, especially in urban and sub-urban environments. The promising advent of the fifth generation (5G) cellular network and its wireless positioning methods opens the door to innumerable possibilities. In this work, we explore the 5G technology positioning methods in a real urban scenario and propose innovative hybrid techniques, combining distance and angle measurements for a finer accuracy. Moreover, we introduce an original positioning algorithm making use of new approaches in order to refine the measurements and autonomously select system parameters. The exploitation of a three-dimensional (3D) map makes possible the faithful reproduction of a real scenario which is the basis for the experiments. Here, real measurements acquired in the field are adopted to simulate the current Base Station (BS) deployment and the results are compared with a novel deployment designed for localization purposes. The simulations are performed along different routes in the examined area, where we analyze the positioning methods and their theoretical lower bounds. The results show poor localization capabilities for the currently available deployment and great potential for the newly explored techniques, especially one hybrid technique among the others which turns out to be very stable and well-performing.

I sistemi di localizzazione sono ormai ampliamente utilizzati in varie realtà, come nella mobilità e nell’industria 5.0, ma anche nella vita di tutti i giorni tramite smartphone e dispositivi indossabili. I requisiti delle recenti applicazioni diventano sempre più stringenti, specialmente nel settore automobilistico dove l’accuratezza al centimetro si rivela essenziale per la guida autonoma. Oggigiorno, Il sistema più utilizzato è il Global Navigation Satellite System (GNSS), ma non risulta essere abbastanza preciso per raggiungere le prestazioni desiderate, soprattutto in ambienti urbani dove si riscontra una grave perdita di accuratezza. Con l’arrivo della nuova rete cellulare di quinta generazione (5G) e i suoi meccanismi di localizzazione, si vedono però crearsi nuove opportunità. In questo lavoro di tesi vengono esplorate le nuove tecniche di localizzazione definite nel 5G in un realistico ambiente urbano e vengono proposti metodi ibridi innovativi che vanno a combinare misure direzionali e di distanza per ottenere un’accuratezza maggiore. Inoltre, viene proposto un algoritmo di localizzazione che fa uso di nuovi approcci per rendere più precise le misure e scegliere in maniera autonoma parametri chiave del sistema. Con l’utilizzo di un mappa tri-dimensionale (3D) è stato possibile riprodurre uno scenario realistico per gli esperimenti, dove misure ottenute sul campo sono state utilizzate per simulare l’attuale installazione delle antenne 5G. Tale installazione è stata poi confrontata con un nuovo schieramento pensato ai fini della localizzazione. Le tecniche di localizzazione sono state analizzate lungo dei percorsi nell’area presa in esame e i loro risultati sono stati confrontati con i limiti teorici. Le simulazioni hanno riscontrato nella attuale installazione delle antenne una povera capacità di localizzazione, mentre i metodi esaminati hanno dimostrano grandi potenzialità, in particolare uno dei metodi ibridi proposti che risulta essere molto performante sia in termini di consistenza che di accuratezza.