Behavioral modeling of the NB-IoT downlink physical layer

Abstract

The Internet of Things (IoT) paradigm de nes a fully connected network of devices enabling new forms of interaction between users and devices. The constant growth of these networks, as well as an increasing demand for more reliable, low bit rate and massive communication data ows lead to the emergence of new technologies and set of standards, such as, the Low Power Wide Area Networks (LPWAN). In June 2016, 3GPP, the consortium responsible for LTE development and standardization, released a new licensed band based standard, named Narrow Band (NB) IoT. NB-IoT was designed based on the same principles of other LPWAN standards, providing better coverage and additionally an easier integration on existing cellular systems. In this dissertation a study on the NB-IoT Physical Layer is presented along with an open source behavioral implementation in MATLAB of the downlink transmission and reception chains. The system generates and recovers one radio frame successfully performings procedures such as MIB and SIB1-N extracting along with scheduling and recovering data scheduled through control channels by higher layer paramenters. The project models and executes the downlink transmission (eNodeB) and reception (terminal) PHYs either in a pure simulation environment using di erent channel models, as well as integrated with an USRP software de ned radio device for co-simulation. The simulation and co-simulation results are presented evaluating the transmission's quality and performance of the implemented Zero Forcing equalizer.

O paradigma da Internet of Things (IoT) define uma rede interligada de dispositivos que permite o surgimento de novas formas de interacção entre utilizadores e dispositivos. O constante crescimento destas redes assim como a crescente demanda por uma fiabilidade maior, bit rates mais baixos e circulação massiva de informação insurgiu o aparecimento de novas tecnologias tais como as Low Power Wide Area Networks (LPWAN). Em Junho de 2016 a 3GPP, o órgão responsável pelo LTE, lançou um novo standard para bandas licenciadas o Narrowband (NB) -IoT. O NB-IoT foi desenhado com base nos mesmos princípios que as outras LPWAN com o acréscimo de uma maior cobertura assim como uma mais fácil integração em sistemas celulares existentes. Nesta dissertação aborda-se um estudo da sua camada física (PHY Layer) juntamente com uma implementação comportamental open source em Matlab das cadeias de transmissão e recepção em downlink. O projecto modela e executa transmissões em downlink (eNodeB) e sua recepcção (terminal) tanto em ambiente simulado como integrado com um dispositivo de software defined radio, USRP, para validação laboratorial. Os resultados obtidos tanto de simulação como co-simulação são apresentados avaliando a qualidade de transmissão assim como o comportamento do equalizador Zero Forcing implementado.