Design and analysis of NB-IoT non-terrestrial networks links

Abstract

Internet Of Things (IoT) applications are expanding exponentially and are foreseen to play a major role in the fifth-generation mobile communication (5G) network by guaranteeing worldwide connectivity to the high number of low-cost IoT devices distributed all over the globe. In this regard, the Third Generation Partnership Project (3GPP) has introduced the Narrowband IoT (NB-IoT) technology in order to satisfy this tremendous market demand [1]. However, it is widely accepted that terrestrial networks (TN) alone are not able to serve NB-IoT market requirements. Indeed, recently approved study item 3GPP TR 36.763 Study on NB-IoT over Non-Terrestrial Networks (NTN) (Release 17) [2] highlights significant enhacements in service continuity, ubiquity, and scalability by deploying NB-IoT over Non-Terrestrial Networks (NTN). In this context, several NB-IoT NTN simulation scenarios {LEO-600, LEO-1200, GEO} will be designed and analysed, based on specifications 3GPP TR 38.821 [3], TR 36.763 [2], with MATLAB Satellite Communication Toolbox to evaluate orbital propagation evolution of NTN SATs, slant range (d), elevation angle(α), RTT (Round-Trip Time) and Doppler effect. Similarly, NTN SAT & NTN UE antenna models specified by 3GPP TR 38.811 [4] will be designed and characterized with MATLAB Antenna Toolbox, MATLAB Phased Array System Toolbox, MATLAB Sensor Array Analizer. Finally, several simulation cases (SC) will be carried out with MATLAB aiming at providing an assessment of NB-IoT NTN links budget performance (SNR, path loss, link margin, spectral efficiency, delay, capacity, power consumption) through link parameters sweeps (altitude, elevation angle, transmission modes (ST/MT), bandwidth, modulation-coding scheme (MCS), EIRP and G/T), concluding that some system design trade-offs shall be considered when designing NB-IoT NTN links depending on NB-IoT use case requirements.

La tecnología IoT (Internet Of Things) se está expandiendo exponencialmente y se prevé que desempeñe un papel vital en la red de quinta generación de tecnología móvil (5G) para garantizar conectividad mundial a la gran cantidad de dispositivos IoT de bajo coste y consumo distribuidos por todo el mundo. En este sentido, el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ha introducido la tecnología NB-IoT (Narrowband Internet Of Things) para satisfacer esta enorme demanda del mercado [1]. Sin embargo, cabe resaltar que las redes terrestres (TN) no pueden satisfacer los requisitos del mercado NB-IoT por sí solas. En efecto, según se detalla en el 3GPP TR 36.763 NB-IoT over Non-Terrestrial Networks (NTN) (Release 17) [2], el despliegue de NB-IoT sobre redes no terrestres (NTN) proporcionaría mejoras significativas en la continuidad, ubicuidad y escalabilidad del servicio NB-IoT. En este contexto, se diseñarán y analizarán varios escenarios de simulación NB-IoT NTN {LEO-600, LEO1200, GEO}, basándose en las especificaciones 3GPP TR 38.821 [3], TR 36.763 [2], mediante MATLAB Satellite Communication Toolbox para evaluar la evolución de la propagación orbital de las plataformas NTN SAT, la distancia (d), el ángulo de elevación (𝛼), RTT (Round-Trip Time) y el efecto Doppler durante el tiempo de simulación. Del mismo modo, se diseñarán y caracterizarán los modelos e antena NTN SAT & NTN UE especificados por el 3GPP TR 38.811 [4] mediante MATLAB Antenna Toolbox, MATLAB Phased Array System Toolbox, MATLAB Sensor Array Analizer. Finalmente, se llevarán a cabo diferentes casos de simulación (SC) para evaluar el rendimiento del balance de enlaces NB-IoT NTN (SNR, perdidas de enlace, margen de enlace, eficiencia espectral, retardo, capacidad, consumo de potencia) a través de estudios paramétricos de enlace (altitud, ángulo de elevación, modos de transmisión (ST/MT) – ancho de banda, esquema de modulación-codificación (MCS), EIRP y G/T), concluyendo que deberán de existir compromisos a la hora de diseñar enlaces NB-IoT NTN en función de los requerimientos del caso de uso NB-IoT.