«Прототипы технологий сетевого позиционирования четвертого и пятого поколения», Соглашение с РНФ №25-29-01263

Руководитель: Фокин Григорий Алексеевич, д.т.н., доцент, заведующий кафедрой Беспроводных Технологий и Систем (БТС)

Члены научного коллектива:

• Волгушев Дмитрий Борисович
• Рютин Константин Евгеньевич
• Шеремет Никита Викторович

Конкурс: «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки» по направлению «Н6 повышение уровня связанности территории Российской Федерации путем создания интеллектуальных транспортных, энергетических и телекоммуникационных систем, а также занятия и удержания лидерских позиций в создании международных транспортно-логистических систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики».

Аннотация:

На сегодняшний день современные сети четвертого поколения LTE и перспективные сети пятого поколения NR можно обоснованно рассматривать как инфраструктурную основу с наибольшим радиопокрытием снаружи помещений для решения задач навигационного обеспечения транспортной мобильности и беспилотных систем различного назначения в условиях отсутствия или ненадежного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. На физическом уровне радиотехнологии LTE и NR используют сигналы с ортогональным частотным мультиплексированием OFDM. Прием и обработках данных сигналов с целью извлечения первичных дальномерных и угломерных измерений имеет определенную специфику.

Из анализа открытых зарубежных источников последних десяти лет следует, что на сегодняшний день исследования и разработки в области реализации и экспериментальной апробации прототипов технологий сетевого позиционирования с использованием программно-конфигурируемого радио SDR (Software Defined Radio) оформлены в отдельное научное направление. Можно выделить исследовательские группы под руководством J.A. del Peral-Rosado, K. Shamaei, M. Driusso и др., занимающиеся вопросами использования SDR технологий для прототипирования подсистем приема и обработки OFDM сигналов с целью сбора первичных разностно-дальномерных измерений. Результаты прототипирования подсистемы наносекундной синхронизации территориально распределенных SDR макетов базовых станций показали возможность достижения дециметровой точности оценок координат (Koelemeij, J.C.J., Dun, H., Diouf, C.E.V. et al. A hybrid optical–wireless network for decimetre-level terrestrial positioning. Nature 611, 473–478 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05315-7). Однако такие точности получаются при ряде допущений и ограничений, включая ширину полосы используемого сигнала в 160 МГц. Также следует отметить весьма высокие инженерные компетенции членов коллектива авторов, большинство реализаций которых выполнены встраиваемыми в SDR устройства модулями на языке программируемых логических интегральных схема (ПЛИС).

Амбициозная задача разработки и экспериментальной апробации прототипов технологий сетевого позиционирования дециметровой точности в сетях четвертого и пятого поколения с шириной полосы используемого сигнала до 20 МГц ставится впервые.

Объектом исследования и разработки являются современные и перспективные сети сотовой подвижной радиосвязи четвертого и пятого поколения.

Предметом исследования и разработки являются новые SDR прототипы подсистем приема и обработки OFDM сигналов с целью сбора первичных разностно-дальномерных и угломерных измерений.

Методом исследования является аналитический обзор, формализация, математическое и имитационное моделирование, модельно-ориентированное проектирование и прототипирование на устройствах программно-конфигурируемого радио, экспериментальная апробация в условиях лабораторных и полевых испытаний.

Научной проблемой является достижение дециметровой точности оценок координат пользовательских устройств средствами инфраструктуры базовых станций современных и перспективных сетей связи четвертого и пятого поколения в условиях отсутствия или ненадежного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для навигационного обеспечения интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем.

Ожидаемые результаты:

В рамках сформулированной научной проблемы планируется решение следующих частных задач и получение следующих научных результатов:
1) прототип подсистемы формирования и синхронной (с точностью до наносекунды) передачи опорных сигналов на территориально распределенных SDR макетах базовых станций;
2) прототип подсистемы приема и обработки опорных сигналов с шириной полосы до 20 МГц на SDR макете пользовательского устройства с оценкой координат дециметровой точности;
3) прототип подсистемы наносекундной синхронизации территориально распределенных SDR макетов базовых станций с использованием сервера точного времени Метроном;
4) прототип подсистемы пространственной обработки сигналов на прием четырехэлементной антенной решеткой на SDR макете с оценкой угла прихода сигнала до единиц градусов.

Прототипирование на SDR устройствах имеет большое прикладное значение для построения и функционирования перспективной отечественной «Комплексированной навигационной системы услуг локации» (КОНСУЛ).

Значимость проекта заключается в экспериментальном обосновании возможности достижения дециметровой точности оценок координат с использованием опорных сигналов с шириной полосы до 20 МГц на SDR устройствах приема и обработки, функционирующих в современных и перспективных сетях связи четвертого и пятого поколения в условиях отсутствия или ненадежного приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.

Имеющиеся компетенции в области сетевого позиционирования (защита докторской диссертации, монографии) и программно-конфигурируемого радио (учебные пособия), материально-техническая база (платы USRP программно-конфигурируемого радио SDR (Software-Defined Radio), сервер и транслятор точного времени Метроном), полученный в 2024 году патент № 2817862 «Способ позиционирования в сетях связи с использованием технологии программно-конфигурируемого радио», взаимодействие с профильными предприятиями реального сектора экономики и предыдущие успешные результаты экспериментальной апробации в условиях лабораторных и полевых испытаний с достижением метровой точности в сетях LTE позволяют говорить о возможности создания отечественного прототипа технологии сетевого позиционирования дециметровой точности.