The adoption of large-scale antenna arrays at high-frequency bands is widely envisioned in the beyond 5G wireless networks. This leads to the near-field regime where the wavefront is no longer planar but spherical, bringing new opportunities and challenges for communications and positioning. In this paper, we improve the near-field positioning technology from the classical spherical wavefront model (SWM) to the more accurate and true electromagnetic propagation model (EPM). A generic near-field positioning model with different observation capabilities for three electric field types (vector, scalar, and overall scalar electric field) is developed based on the complete EPM. For these three observed electric field types, the Cram\'er-Rao bound (CRB) is adopted to evaluate the achievable estimation accuracy. The expressions of the CRBs for different electric field observations are derived by combining electromagnetic propagation concepts with estimation theory. Closed-form expressions can be further obtained as the terminal is assumed to be on the central perpendicular line (CPL) of the receiving antenna surface. Moreover, the above discussions are extended to the system with multiple receiving antennas. In this case, the CRBs using various electric field types are derived, and the effect of different numbers of receiving antennas is deeply investigated. Numerical results are provided to quantify the CRBs and validate the analytical results. Also, the impact of different system parameters, including electric field type, wavelength, size of the receiving antenna, and number of antennas, is evaluated.


翻译:高频波段大型天线阵列的采用在5G无线网络之外被广泛设想为采用大型高频频频段天线阵列。这导致近地系统,使波头不再是平面,而是球形的,给通信和定位带来新的机会和挑战。在本文中,我们改进了近地定位技术,从古典球形波波阵模型(SWM)到更准确和真实的电磁传播模型(EPM),为三种电场类型(Vector、scalarar和总体弧电场)开发了一个通用近地定位模型,具有不同的观测能力。对于这三种观测的电场类型,采用了Cram\er-Rao捆绑(CRB)来评估可实现的估计准确性。通过将电磁波传播概念与估计理论相结合,可以进一步获得封闭式的表达方式,因为假设接收天线表面中央直径直线(CPL)的终端是不同的观测能力。此外,上述讨论还扩展到系统,具有多个接收天线的天线的系统,并采用了C型天线的直径值和直径分析结果。对此进行了深入评估。

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