Analysis and simulation of the ranging error in the IEEE 802.11az Next Gen Positioning Capability

Indoor positioning presents a fundamentally challenging problem despite its apparent simplicity. Unlike outdoor navigation, where GPS provides reliable localization, indoor environments significantly degrade signal quality. Radio signals are reflected by walls, at- tenuated by construction materials such as concrete, and distorted by multipath propaga- tion effects, rendering the timing measurements required for accurate ranging unreliable. Wi-Fi, which is already deployed virtually everywhere, offers an attractive alternative. IEEE 802.11az, known as Next Generation Positioning (NGP), is the latest Wi-Fi stan- dard specifically designed to address this problem, targeting sub-meter ranging accuracy through wider channel bandwidths, MIMO antenna processing, and a super-resolution Time of Arrival estimation algorithm called MUSIC. This thesis investigates 802.11az ranging performance through three interconnected con- tributions. First, a MATLAB simulation study establishes the PHY parameter config- uration used throughout this thesis — bandwidth, antennas, HE-LTF repetitions, and SNR — by quantifying their individual effect on ranging accuracy and identifying the operating point adopted in the ns-3 framework. Second, the MATLAB simulation is translated to standalone C++ using MATLAB Coder and integrated into the ns-3 net- work simulator. The statistical equivalence of the two implementations is verified using the Kolmogorov-Smirnov test, which confirms p-value = 1 across all tested parameter combinations. Third, a ns-3 simulation framework integrates the validated C++ PHY module with ns-3, enabling network-level ranging studies with configurable AP positions and mobile station tracking. The key result is that the ns-3 simulation framework correctly reproduces 802.11az rang- ing behaviour at the network level, with the integrated C++ module achieving mean ranging errors consistent with the validated MATLAB model across all tested scenarios, including a mobile STA tracked across three ranging events.

La localizzazione indoor rappresenta un problema intrinsecamente complesso, nonostante la sua apparente semplicità. A differenza della navigazione outdoor, dove il GPS fornisce una localizzazione affidabile, gli ambienti interni degradano significativamente la qualità del segnale. I segnali radio vengono riflessi dalle pareti, attenuati dai materiali da costruzione come il calcestruzzo e distorti dagli effetti di propagazione multipath, rendendo inaffidabili le misure temporali necessarie per una stima accurata della distanza. Il Wi-Fi, già diffusamente presente in quasi tutti gli ambienti, costituisce un’alternativa particolarmente interessante. Lo standard IEEE 802.11az, noto come Next Generation Positioning (NGP), è il più recente standard Wi-Fi progettato specificamente per affrontare questo problema, con l’obiettivo di raggiungere una precisione di ranging inferiore al metro grazie all’impiego di larghezze di banda più ampie, elaborazione tramite antenne MIMO e di MUSIC, un algoritmo di super-risoluzione per la stima del Time of Arrival (ToA). Questa tesi analizza le prestazioni del ranging secondo lo standard 802.11az attraverso tre contributi tra loro interconnessi. In primo luogo, uno studio di simulazione in MATLAB definisce la configurazione dei parametri PHY utilizzata nell’intero lavoro — larghezza di banda, numero di antenne, ripetizioni HE-LTF e rapporto segnale-rumore (SNR) — quantificandone l’effetto individuale sull’accuratezza del ranging e identificando il punto operativo successivamente adottato nel framework ns-3. In secondo luogo, la simulazione MATLAB viene convertita in codice C++ standalone mediante MATLAB Coder e integrata nel simulatore di rete ns-3. L’equivalenza statistica tra le due implementazioni viene verificata tramite il test di Kolmogorov-Smirnov, che conferma un valore di p-value pari a 1 per tutte le combinazioni di parametri esaminate. In terzo luogo, viene sviluppato un framework di simulazione in ns-3 che integra il modulo PHY in C++ validato con l’infrastruttura di ns-3, consentendo studi di ranging a livello di rete con posizioni degli Access Point configurabili e tracciamento di stazioni mobili. Il risultato principale dimostra che il framework di simulazione ns-3 riproduce correttamente il comportamento del ranging 802.11az a livello di rete. Il modulo C++ integrato ottiene infatti errori medi di stima della distanza coerenti con quelli del modello MATLAB validato in tutti gli scenari testati, inclusa la localizzazione di una stazione mobile monitorata attraverso tre eventi di ranging consecutivi.