5G outdoor positioning: assessment in urban environments with digital twin simulation

In an increasingly interconnected and complex world, with the growth of urban populations and the expansion of transportation networks, managing road users has become a complicated challenge for cities worldwide. In this context, the development of localization systems represents an expanding field of research with applications across multiple sectors. Distributed systems, collecting real-time data from various sources, such as cameras, sensors, and GNSS-based navigation tools are enablers of advanced forms of V2I and V2V communication. The future of transportation depends on the development of these technologies, which not only improve the efficiency and safety of our roads but also lay the groundwork the for more sustainable smart mobility. \\In recent years, Fifth Generation (5G) technology has emerged as a promising solution for outdoor localization, offering significant advantages over traditional Global Navigation Satellite Systems (GNSS)\nomenclature{GNSS}{Global Navigation Satellite System}. Differently from GNSS, which suffers from reduced accuracy in urban canyons and obstructed environments, 5G systems can achieve sub-meter accuracy by leveraging a dense network of base stations equipped with massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) technology. This high-density infrastructure enables precise positioning through advanced techniques such as multipath exploitation, where reflected signals are intelligently utilized to enhance accuracy, and the use of millimeter-wave (mm-wave) frequencies provides finer spatial resolution due to their shorter wavelengths. Furthermore, state-of-the-art algorithms, including machine learning-based positioning and hybrid sensor fusion, further improve the robustness and precision of 5G-based localization systems, making them ideal for urban navigation, autonomous vehicles, and Smart City applications. This thesis overviews the 5G technology and analyzes localization methodologies based on the measurements of communication signals. A propagation scenario representing a real area, the Bovisa Campus of Politecnico di Milano, was recreated to obtain a realistic outdoor environment to simulate the geometric channel, which has been analyzed through Ray Tracing techniques and radio measurements have been extracted.

In un mondo sempre più interconnesso e complesso, caratterizzato dalla crescita delle popolazioni urbane e dall'espansione delle reti di trasporto, la gestione degli utenti della strada rappresenta una sfida molto complicata. In questo contesto, lo sviluppo di sistemi di localizzazione è oggi un campo di ricerca in espansione con applicazioni in molteplici settori. I sistemi distribuiti, che raccolgono dati in tempo reale da sorgenti varie, come telecamere, sensori e strumenti di navigazione basati sul GNSS, sono strumenti fondamentali per forme avanzate di comunicazione V2I e V2V. Il futuro dei trasporti dipende fortemente dallo sviluppo di queste tecnologie, che non solo migliorano l'efficienza e la sicurezza delle nostre strade, ma pongono anche le basi per una mobilità sempre più intelligente e più sostenibile. \\Negli ultimi anni, la tecnologia di quinta generazione (5G) si è affermata come una soluzione promettente per la localizzazione outdoor, offrendo vantaggi significativi rispetto ai tradizionali sistemi globali di navigazione satellitare (GNSS). A differenza del GNSS, che soffre di una precisione ridotta, specialmente nei canyon urbani e negli ambienti ostruiti, i sistemi 5G possono raggiungere una precisione inferiore al metro sfruttando una fitta rete di stazioni base dotate di una massiccia tecnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). Questa infrastruttura ad alta densità consente un posizionamento preciso grazie a tecniche avanzate come lo sfruttamento del multipath, in cui i segnali riflessi vengono utilizzati in modo intelligente per migliorare la precisione, e l'uso di frequenze a onde millimetriche (mm-wave) fornisce una risoluzione spaziale più dettagliata grazie all'impego di lunghezze d'onda molto più corte. Inoltre, algoritmi avanzati, tra cui il posizionamento basato sull'apprendimento automatico e la fusione ibrida dei sensori, migliorano ulteriormente la robustezza e la precisione dei sistemi di localizzazione basati sul 5G, rendendoli ideali perla navigazione urbana, i veicoli a guida autonoma e le applicazioni per le Smart City. Questa tesi presenta una panoramica della tecnologia 5G e analizza le metodologie di localizzazione basate sulle misurazioni dei segnali di comunicazione. È stato ricreato uno scenario di propagazione che rappresenta un'area reale, il Campus di Bovisa del Politecnico di Milano, per ottenere un ambiente outdoor realistico con il fine di simulare il canale geometrico, che è stato analizzato con tecniche di Ray Tracing e da cui sono state estratte le misure radio.