Μελέτη επικοινωνίας Narrow-Band IoT συσκευών μέσω δορυφορικής ζεύξης

Abstract

Στόχος αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση και η τεχνολογική πρόταση με βάση την 3GPP για την εγκατάσταση LTE ΝΒ-ΙοΤ αισθητήρων και συσκευών Machine to Machine σε απομακρυσμένες περιοχές όπου δεν υπάρχει σύνδεση μεταξύ σταθμού βάσης και δικτύου κορμού, χρησιμοποιώντας GEO ή LEO δορυφόρους. Το LTE-Α είναι πρωτόκολλο επικοινωνίας που χρησιμοποιείται ευρέως στις κινητές επικοινωνίες σήμερα. Προσφέρει ένα σύνολο πλεονεκτημάτων όπως, υψηλή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων και μεγάλη ευελιξία. Προκειμένου όμως να καλυφθούν οι απαιτήσεις σε ενέργεια και κόστος του δικτύου αυτού, οι σύγχρονες κινητές συσκευές επιβάλλεται να διαθέτουν μεγάλη χωρητικότητα μπαταρίας ώστε να μπορούν να εξυπηρετήσουν των υψηλών επιδόσεων επεξεργαστή ο οποίος θα επεξεργάζεται το πρωτόκολλο LTE-A. Γίνεται λοιπόν σαφές ότι ένα τέτοιο πρωτόκολλο θα ήταν αδύνατον να εγκατασταθεί σε μία συσκευή η οποία θα έπρεπε να διατηρηθεί ενεργή χωρίς φόρτιση για μεγάλο χρονικό διάστημα (διάρκεια ~ 10 χρόνια). Η τεχνολογία Narrowband του LTE-Α η οποία είναι πρωτοπόρα στην εξοικονόμηση ενέργειας (διάρκεια μπαταριών ~ 10 χρόνια), αλλά και στην εξοικονόμηση κόστους συντηρήσεων των εξοπλισμών, χάρη στην επαναστατική αρχιτεκτονική της η οποία λαμβάνει τα βέλτιστα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας του LTE-Α αλλά με μικρές παραλλαγές, πετυχαίνει τη μέγιστη εξοικονόμηση ενέργειας. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας NB-IoT είναι κατάλληλο για χρήση σε αισθητήρες χαμηλού κόστους οι οποίοι διαθέτουν αυτόνομη μονάδα παροχής ενέργειας (μπαταρίες) και δεν διαθέτουν μεγάλη επεξεργαστική ισχύ. Το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει την εγκατάσταση ΙοΤ συσκευών σε απομακρυσμένες περιοχές (Βουνά) όπου μπορούν να μείνουν ενεργές για αρκετά χρόνια. Στη περίπτωση όμως που δεν υπάρχει επικοινωνία ΙοΤ συσκευής και σταθμού βάσης λόγω της μορφολογίας του περιβάλλοντος (Έρημος, Ωκεανοί), επιβάλλεται να χρησιμοποιηθεί δορυφορική ζεύξη προκειμένου τα δεδομένα να σταλούν επιτυχώς από την ΙοΤ συσκευή στο δίκτυο κορμού. Παρακάτω περιγράφεται με λεπτομέρεια η προτεινόμενη τοπολογία. Η προτεινόμενη τοπολογία είναι η εξής: ένας αισθητήρας LTE-A NB-IoT είναι εγκατεστημένος σε απομακρυσμένη τοποθεσία, όπως π.χ. πλατφόρμα άντλησης πετρελαίου. Προκειμένου να αποστείλει επιτυχώς τα δεδομένα του ο αισθητήρας θα πρέπει να επικοινωνήσει με τον σταθμό βάσης. Ο σταθμός βάσης θα πρέπει να πραγματοποιήσει ζεύξη με τον GEO ή LEO δορυφόρο ο οποίος έχει κρίσιμο ρόλο, αφού είναι υπεύθυνος για την επικοινωνία μεταξύ σταθμού βάσης και δικτύου κορμού ώστε να λάβουμε τα δεδομένα. Βάσει της προτεινόμενης τοπολογίας, θα πρέπει να μελετηθούν τυχόν σφάλματα που μπορούν να προκύψουν στην επικοινωνία μεταξύ σταθμού βάσης και δορυφόρου. Επιπλέον, θα αναπτυχθεί προσομοίωση της επικοινωνίας NB-IoT μέσω δορυφόρου. Σε επίπεδο μελέτης, αρχικά θα γίνει ανάλυση της τεχνολογίας ΙοΤ και ΝB-IoT. Θα γίνει αναφορά ως προς την συνεισφορά της τεχνολογίας αυτής στην σύγχρονη κοινωνία, καθώς θα γίνει και περιγραφή του τεχνικού της μέρους. Έπειτα, θα γίνει ανάλυση της τεχνολογίας ΝΒ-ΙοΤ μέσω δορυφορικής ζεύξης που θα περιλαμβάνει θεωρητικό και τεχνικό μέρος σε επίπεδο μελέτης. Επιπλέον, θα γίνει ανάλυση των προβλημάτων που μπορεί να προκύψουν σε μία τέτοια ζεύξη, όπως οι απώλειες λόγω βροχής. Το φαινόμενο Doppler επίσης αποτελεί σημαντικό παράγοντα όταν πρόκειται για δορυφόρο LEO ο οποίος κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα. Στη συνέχεια, θα γίνει ανάλυση της τεχνικής OFDM και της SC-OFDM για την άνω και κάτω ζεύξη στο LTE που χρησιμοποιείται και στο ΝΒ-ΙοΤ. Τέλος, θα πραγματοποιηθεί μία ανάλυση Link Budget για το ΝΒ-ΙοΤ μέσω δορυφόρου το οποίο θα περιλαμβάνει το φαινόμενο Doppler, Path-loss, απώλειες λόγω βροχής και τυχόν άλλες απώλειες. Θα γίνει τροποποίηση του μοντέλου LTE τόσο στην άνω όσο και στην κάτω ζεύξη, ώστε να φτιάξουμε το μοντέλο ΝΒ-ΙοΤ το οποίο θα μας δίνει πραγματικά δεδομένα (υπολογισμός ισχύς σήματος λήψης-εκπομπής, υπολογισμός σφαλμάτων), για 2 σενάρια: 1) δορυφόρο LEO και 2) δορυφόρο GEO. Απώτερος σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός μοντέλου ΝΒ-ΙοΤ το οποίο θα υπολογίζει την ισχύ λήψης και εκπομπής, καθώς και τα σφάλματα τα οποία μπορεί να προκύψουν από τους παράγοντες που προαναφέρθηκαν.