Positioning Methods in DECT-2020 NR Networks
Saikko, Antti (2024)
2024
Sähkötekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Electrical Engineering
Informaatioteknologian ja viestinnän tiedekunta - Faculty of Information Technology and Communication Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404113453
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404113453
Tiivistelmä
DECT-2020 NR is a wireless communication technology which is developed to support especially various Internet of Things (IoT) applications. DECT-2020 NR is part of the official 5G standards, and it meets the performance requirements of massive machine type communications (mMTC) and ultra reliable and low latency communications (URLLC) set for 5G technologies. DECT-2020 NR supports mesh networking which enables direct communication between devices. The mesh networking capabilities of DECT-2020 NR support high density of devices and autonomous routing which enables massive scale of network.
Device positioning in DECT-2020 NR networks is an important feature to enable wide-ranging use cases. DECT-2020 NR offers interesting possibilities regarding to positioning because the device density may be high. Positioning is based on different measurable characteristics of the network and signals, and the device positions are estimated based on these measurements. Wireless communication networks contain a wealth of measurable information, for example, signal strength, distance, or angle, and this information can be used for positioning. However, support for high density of devices and requirements for power-efficiency cause some challenges for positioning.
The goal of this master’s thesis is to study the possibilities of efficient device positioning in DECT-2020 NR mesh networks. The thesis is divided into two parts: literary review and simulated positioning results. Internet of Things, DECT-2020 NR, and positioning in a general level are discussed in the literature review part. Based on the literature review, potential positioning methods in DECT-2020 NR networks are methods based on time and angle measurements, as well as methods based on signal strength. The simulation part of the thesis focuses on the study of time-based and angle-based positioning methods. The positioning results based on DECT-2020 NR signal characteristics show that it is possible to achieve good positioning accuracies with the methods studied in the thesis. However, there are some challenges in practice which affect the positioning accuracies, for example, clock error in time-based methods.
The optimization of efficient positioning is based on methods that would enable to select the most useful measurements for positioning. Using these methods, positioning would be efficient in terms of computation and power consumption, but good positioning accuracy should still be achievable. We found from the simulated results that it has an influence for the positioning accuracy how the selection of measurements is done. Based on the results, with an optimal method of measurement selection, it is possible to achieve positioning accuracies near the ideal method. The ideal method requires, for example, more power and increases the computational load. Further development of measurement selection method studied in this thesis is a potential option for implementing effective positioning capabilities in DECT-2020 NR networks. DECT-2020 NR on langattoman viestinnän verkkoteknologia, joka on kehitetty erityisesti tukemaan erilaisia esineiden internetin sovelluksia. DECT-2020 NR on virallisesti hyväksytty 5G-standardien joukkoon, ja se täyttää 5G-teknologioiden suorituskykyvaatimukset massiivisen koneiden välisen viestinnän (mMTC, massive machine type communications) sekä ultraluotettavan ja pienen viiveen (URLLC, ultra reliable and low latency communications) käyttötapausten osalta. DECT-2020 NR tukee mesh-verkkotekniikkaa, jossa laitteet voivat kommunikoida suoraan keskenään. DECT-2020 NR:n mesh-tekniikka tukee suurta laitemäärää ja itsenäistä reititystä, jotka mahdollistavat verkon massiivisen skaalautumisen.
Laitteiden paikannus on yksi tärkeä ominaisuus DECT-2020 NR -verkoissa monipuolisten käyttökohteiden mahdollistamiseksi. DECT-2020 NR tarjoaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia paikannusta ajatellen, koska verkon laitetiheys voi olla suuri. Paikannus perustuu erilaisiin verkon ja signaalien mitattaviin ominaisuuksiin, joihin perustuen laitteen sijaintia voidaan arvioida. Verkoissa on saatavilla reilusti tarkan laitepaikannuksen mahdollistavaa informaatiota, kuten signaalin voimakkuus, etäisyys tai kulma. DECT-2020 NR:n tuki suurelle määrälle laitteita ja vaatimukset energiatehokkuudelle aiheuttavat kuitenkin myös omat haasteensa paikannukseen.
Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia tehokkaan laitepaikannuksen mahdollisuuksia DECT-2020 NR mesh-verkossa. Työ jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuustutkimukseen ja simuloituihin paikannustuloksiin. Työn kirjallisuustutkimuksessa käsitellään esineiden internetiä, DECT-2020 NR -teknologiaa sekä paikannusta yleisesti. Työn kirjallisuustutkimuksen perusteella potentiaalisia paikannusmenetelmiä DECT-2020 NR -verkoissa ovat aika- ja kulmamittauksiin perustuvat menetelmät sekä signaalin voimakkuuteen perustuvat menetelmät. Työn simulaatio-osiossa keskitytään tutkimaan aika- ja kulmaperusteisia menetelmiä. DECT-2020 NR signaalien ominaisuuksiin perustuvat simuloidut paikannustulokset osoittavat, että hyvien paikannustarkkuuksien saavuttaminen on mahdollista työssä tutkituilla menetelmillä. Käytännön toteutuksessa on kuitenkin joitakin paikannustarkkuuksiin vaikuttavia haasteita, kuten kellovirhe aikamittausmenetelmässä.
Paikannusmenetelmien tehokkuuden optimointi perustuu menetelmiin, joilla pystyttäisiin valitsemaan paikannuksen kannalta hyödyllisimmät mittaukset. Tällä tavoin paikannus olisi tehokasta esimerkiksi laskennan ja virrankulutuksen kannalta, mutta hyvä paikannustarkkuus olisi kuitenkin saavutettavissa. Simuloiduista tuloksista huomattiin, että ankkureiden valinnalla on merkitystä saavutettaviin paikannustarkkuuksiin. Tulosten perusteella ankkureiden valinnan optimaalisesti valitsevalla menetelmällä on teoreettisesti mahdollista saavuttaa paikannustarkkuuksia, jotka eivät juuri poikkea ideaalisesta, esimerkiksi laskenta- ja energiatehollisesti vaativammasta, vertailutapauksesta. Työssä tutkitun ankkurien valintamenetelmän jatkokehittäminen on potentiaalinen vaihtoehto tehokkaan laitepaikannuksen ominaisuuden toteuttamiseen DECT-2020 NR -verkoissa.
Device positioning in DECT-2020 NR networks is an important feature to enable wide-ranging use cases. DECT-2020 NR offers interesting possibilities regarding to positioning because the device density may be high. Positioning is based on different measurable characteristics of the network and signals, and the device positions are estimated based on these measurements. Wireless communication networks contain a wealth of measurable information, for example, signal strength, distance, or angle, and this information can be used for positioning. However, support for high density of devices and requirements for power-efficiency cause some challenges for positioning.
The goal of this master’s thesis is to study the possibilities of efficient device positioning in DECT-2020 NR mesh networks. The thesis is divided into two parts: literary review and simulated positioning results. Internet of Things, DECT-2020 NR, and positioning in a general level are discussed in the literature review part. Based on the literature review, potential positioning methods in DECT-2020 NR networks are methods based on time and angle measurements, as well as methods based on signal strength. The simulation part of the thesis focuses on the study of time-based and angle-based positioning methods. The positioning results based on DECT-2020 NR signal characteristics show that it is possible to achieve good positioning accuracies with the methods studied in the thesis. However, there are some challenges in practice which affect the positioning accuracies, for example, clock error in time-based methods.
The optimization of efficient positioning is based on methods that would enable to select the most useful measurements for positioning. Using these methods, positioning would be efficient in terms of computation and power consumption, but good positioning accuracy should still be achievable. We found from the simulated results that it has an influence for the positioning accuracy how the selection of measurements is done. Based on the results, with an optimal method of measurement selection, it is possible to achieve positioning accuracies near the ideal method. The ideal method requires, for example, more power and increases the computational load. Further development of measurement selection method studied in this thesis is a potential option for implementing effective positioning capabilities in DECT-2020 NR networks.
Laitteiden paikannus on yksi tärkeä ominaisuus DECT-2020 NR -verkoissa monipuolisten käyttökohteiden mahdollistamiseksi. DECT-2020 NR tarjoaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia paikannusta ajatellen, koska verkon laitetiheys voi olla suuri. Paikannus perustuu erilaisiin verkon ja signaalien mitattaviin ominaisuuksiin, joihin perustuen laitteen sijaintia voidaan arvioida. Verkoissa on saatavilla reilusti tarkan laitepaikannuksen mahdollistavaa informaatiota, kuten signaalin voimakkuus, etäisyys tai kulma. DECT-2020 NR:n tuki suurelle määrälle laitteita ja vaatimukset energiatehokkuudelle aiheuttavat kuitenkin myös omat haasteensa paikannukseen.
Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia tehokkaan laitepaikannuksen mahdollisuuksia DECT-2020 NR mesh-verkossa. Työ jakaantuu kahteen osaan: kirjallisuustutkimukseen ja simuloituihin paikannustuloksiin. Työn kirjallisuustutkimuksessa käsitellään esineiden internetiä, DECT-2020 NR -teknologiaa sekä paikannusta yleisesti. Työn kirjallisuustutkimuksen perusteella potentiaalisia paikannusmenetelmiä DECT-2020 NR -verkoissa ovat aika- ja kulmamittauksiin perustuvat menetelmät sekä signaalin voimakkuuteen perustuvat menetelmät. Työn simulaatio-osiossa keskitytään tutkimaan aika- ja kulmaperusteisia menetelmiä. DECT-2020 NR signaalien ominaisuuksiin perustuvat simuloidut paikannustulokset osoittavat, että hyvien paikannustarkkuuksien saavuttaminen on mahdollista työssä tutkituilla menetelmillä. Käytännön toteutuksessa on kuitenkin joitakin paikannustarkkuuksiin vaikuttavia haasteita, kuten kellovirhe aikamittausmenetelmässä.
Paikannusmenetelmien tehokkuuden optimointi perustuu menetelmiin, joilla pystyttäisiin valitsemaan paikannuksen kannalta hyödyllisimmät mittaukset. Tällä tavoin paikannus olisi tehokasta esimerkiksi laskennan ja virrankulutuksen kannalta, mutta hyvä paikannustarkkuus olisi kuitenkin saavutettavissa. Simuloiduista tuloksista huomattiin, että ankkureiden valinnalla on merkitystä saavutettaviin paikannustarkkuuksiin. Tulosten perusteella ankkureiden valinnan optimaalisesti valitsevalla menetelmällä on teoreettisesti mahdollista saavuttaa paikannustarkkuuksia, jotka eivät juuri poikkea ideaalisesta, esimerkiksi laskenta- ja energiatehollisesti vaativammasta, vertailutapauksesta. Työssä tutkitun ankkurien valintamenetelmän jatkokehittäminen on potentiaalinen vaihtoehto tehokkaan laitepaikannuksen ominaisuuden toteuttamiseen DECT-2020 NR -verkoissa.