Over the coming decades, high-definition situationally-aware networks have the potential to create revolutionary applications in the social, scientific, commercial, and military sectors.Ultrawide bandwidth (UWB) technology is a viable candidate for enabling accurate localization capabilities through time-of-arrival (TOA)-based ranging techniques.These techniques exploit the fine delay resolution property of UWB signals by estimating the TOA of the first signal path.Exploiting the full capabilities of UWB TOA estimation can be challenging, especially when operating in harsh propagation environments, since the direct path may not exist or it may not be the strongest.In this paper, we first give an overview of ranging techniques together with the primary sources of TOA error (including propagation effects, clock drift, and interference).We then describe fundamental TOA bounds (such as the Crame ´r-Rao bound and the tighter Ziv-Zakai bound) in both ideal and multipath environments.These bounds serve as use-ful benchmarks in assessing the performance of TOA estimation techniques.We also explore practical low-complexity TOA estimation techniques and analyze their performance in the presence of multipath and interference using IEEE 802.15.4a channel models as well as experimental data measured in indoor residential environments.

We present new exponential bounds for the Gaussian Q function (one- and two-dimensional) and its inverse, and for M-ary phase-shift-keying (MPSK), M-ary differential phase-shift-keying (MDPSK) error probabilities over additive white Gaussian noise channels. More precisely, the new bounds are in the form of the sum of exponential functions that, in the limit, approach the exact value. Then, a quite accurate and simple approximate expression given by the sum of two exponential functions is reported. The results are applied to the general problem of evaluating the average error probability in fading channels. Some examples of applications are also presented for the computation of the pairwise error probability of space-time codes and the average error probability of MPSK and MDPSK in fading channels.

This paper presents a theoretical characterization of nonlinear distortion effects in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) transmission systems. In the theoretical framework developed, it is shown that the effects on the decision variables of the in-band distortion introduced by a bandpass memoryless nonlinearity can be described by means of a complex gain and an additive Gaussian term with zero mean and suitable variance; analytical expressions for gain and variance are given. The conditions which allow this description are emphasized and discussed. As a consequence, a completely analytical procedure to evaluate error probability is also obtained and illustrated using OFDM/discrete multitone modulation (DMT) systems with rectangular pulse shaping; for the soft-envelope limiter nonlinearity, a closed form is derived. A comparison with simulation results is carried out to verify the accuracy of this method.

Wireless sensor networks (WSNs) enable new applications and require non-conventional paradigms for protocol design due to several constraints. Owing to the requirement for low device complexity together with low energy consumption (i.e., long network lifetime), a proper balance between communication and signal/data processing capabilities must be found. This motivates a huge effort in research activities, standardization process, and industrial investments on this field since the last decade. This survey paper aims at reporting an overview of WSNs technologies, main applications and standards, features in WSNs design, and evolutions. In particular, some peculiar applications, such as those based on environmental monitoring, are discussed and design strategies highlighted; a case study based on a real implementation is also reported. Trends and possible evolutions are traced. Emphasis is given to the IEEE 802.15.4 technology, which enables many applications of WSNs. Some example of performance characteristics of 802.15.4-based networks are shown and discussed as a function of the size of the WSN and the data type to be exchanged among nodes.

Network localization and navigation give rise to a new paradigm for communications and contextual data collection, enabling a variety of new applications that rely on position information of mobile nodes (agents). The performance of such networks can be significantly improved via the use of cooperation. Therefore, a deep understanding of information exchange and cooperation in the network is crucial for the design of location-aware networks. This article presents an exploration of cooperative network localization and navigation from a theoretical foundation to applications, covering technologies and spatiotemporal cooperative algorithms.

In the last decade, the research on and the technology for outdoor tracking have seen an explosion of advances. It is expected that in the near future, we will witness similar trends for indoor scenarios where people spend more than 70% of their lives. The rationale for this is that there is a need for reliable and high-definition real-time tracking systems that have the ability to operate in indoor environments, thus complementing those based on satellite technologies, such as the Global Positioning System (GPS). The indoor environments are very challenging, and as a result, a large variety of technologies have been proposed for coping with them, but no legacy solution has emerged. This paper presents a survey on indoor wireless tracking of mobile nodes from a signal processing perspective. It can be argued that the indoor tracking problem is more challenging than the problem on indoor localization. The reason is simple: From a set of measurements, one has to estimate not one location but a series of correlated locations of a mobile node. The paper illustrates the theory, the main tools, and the most promising technologies for indoor tracking. New directions of research are also discussed.

5G technologies present a new paradigm to provide connectivity to vehicles, in support of high data-rate services, complementing existing inter-vehicle communication standards based on IEEE 802.11p. As we argue, the specific signal characteristics of 5G communication turn out to be highly conducive for vehicle positioning. Hence, 5G can work in synergy with existing on-vehicle positioning and mapping systems to provide redundancy for certain applications, in particular automated driving. This article provides an overview of the evolution of cellular positioning and discusses the key properties of 5G as they relate to vehicular positioning. Open research challenges are presented.

Assisted living (AL) technologies, enabled by technical advances such as the advent of the Internet of Things, are increasingly gaining importance in our aging society. This article discusses the potential of future high-accuracy localization systems as a key component of AL applications. Accurate location information can be tremendously useful to realize, e.g., behavioral monitoring, fall detection, and real-time assistance. Such services are expected to provide older adults and people with disabilities with more independence and thus to reduce the cost of caretaking. Total cost of ownership and ease of installation are paramount to make sensor systems for AL viable. In case of a radio-based indoor localization system, this implies that a conventional solution is unlikely to gain widespread adoption because of its requirement to install multiple fixed nodes (anchors) in each room. This article therefore places its focus on 1) discussing radiolocalization methods that reduce the required infrastructure by exploiting information from reflected multipath components (MPCs) and 2) showing that knowledge about the propagation environment enables localization with high accuracy and robustness. It is demonstrated that new millimeter-wave (mm-wave) technology, under investigation for 5G communications systems, will be able to provide centimeter (cm)-accuracy indoor localization in a robust manner, ideally suited for AL.

Herein, we focus on convergent 6G communication, localization and sensing systems by identifying key technology enablers, discussing their underlying challenges, implementation issues, and recommending potential solutions. Moreover, we discuss exciting new opportunities for integrated localization and sensing applications, which will disrupt traditional design principles and revolutionize the way we live, interact with our environment, and do business. Regarding potential enabling technologies, 6G will continue to develop towards even higher frequency ranges, wider bandwidths, and massive antenna arrays. In turn, this will enable sensing solutions with very fine range, Doppler, and angular resolutions, as well as localization to cm-level degree of accuracy. Besides, new materials, device types, and reconfigurable surfaces will allow network operators to reshape and control the electromagnetic response of the environment. At the same time, machine learning and artificial intelligence will leverage the unprecedented availability of data and computing resources to tackle the biggest and hardest problems in wireless communication systems. As a result, 6G will be truly intelligent wireless systems that will provide not only ubiquitous communication but also empower high accuracy localization and high-resolution sensing services. They will become the catalyst for this revolution by bringing about a unique new set of features and service capabilities, where localization and sensing will coexist with communication, continuously sharing the available resources in time, frequency, and space. This work concludes by highlighting foundational research challenges, as well as implications and opportunities related to privacy, security, and trust.

This paper introduces the notion of network experimentation and proposes an experimentation methodology particularly suited for cooperative wireless networks. Based on this methodology we performed extensive measurement campaigns and compare various cooperative localization techniques under a common setting. Network experiments enable (i) the quantification of cooperation benefits, (ii) the development of techniques for harnessing environmental information, and (iii) the characterization of network localization algorithms. As a case study, we consider ultrawide bandwidth cooperative location-aware networks in cluttered indoor environments and evaluate their performance based on measurements collected from network experiments.