Behavioral modeling of the NB-IoT Uplink physical laye

Abstract

A Internet das Coisas (IoT) consiste numa rede sem fios de sensores/atuadores ligados entre si e que têm a capacidade de recolher dados. Devido ao crescimento rápido do mercado IoT, as redes de longa distância e baixa potência (LPWAN) tornaram-se populares. O NarrowBand-IoT (NB-IoT), desenvolvido pela 3rd Generation Partnership Project (3GPP), é um desses protocolos. O principal objectivo desta dissertação é a implementação de uma simulação comportamental em MATLAB do NB-IoT no uplink, que será disponibilizada abertamente. Esta será focada, primariamente, na camada física e nas suas respetivas funcionalidades, nomeadamente turbo coding, modulação SC-FDMA, modelos de simulação de canal, desmodulação SC-FDMA, estimação de canal, equalizador e turbo decoding. A estimação de canal é feita usando símbolos piloto previamente conhecidos. Os modelos de canal utilizados são baseados nas especificações oficiais da 3GPP. A taxa de bits errados (BER) é calculada e usada de forma a avaliar a performance do turbo encoder e do equalizador zero forcing (ZF). Serve também como comparação quando a implementação usa esquemas de modulação diferentes (Binary Phase-Shift Keying (BPSK) e Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK)). Além disso, os sinais gerados em MATLAB são transmitidos usando como front-end de radio-frequência (RF) uma Universal Software Radio Peripheral (USRP). Posteriormente, são recebidos, desmodulados e descodificados. Finalmente, é obtida a constelação do sinal, a BER é calculada e os resultados são analisados.

The Internet of Things (IoT) refers to a wireless network of interconnected sensors/actuators with data-collecting technologies. Low Power Wide Area Networks (LPWAN) have become popular due to the rapid growth of the IoT market. Narrowband-IoT (NB-IoT), developed by 3rd Generation Partnership Project (3GPP), is one of these protocols. The main objective of this thesis is the implementation of an open-source uplink behavioral simulator based on MATLAB. Its focus is primarily on Layer 1 (physical layer) relevant functionalities, namely turbo coding, Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access (SC-FDMA) modulation, channel modeling, SC-FDMA demodulation, channel estimation, equalization and turbo decoding. Channel estimation is performed using known pilot symbols. The used channel models are based on the 3GPP o cial release specs. The Bit Error Rate (BER) is calculated in order to evaluate the turbo encoder and the Zero Forcing (ZF) equalizer performance, and to compare Binary Phase-Shift Keying (BPSK) and Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) implementations. Furthermore, the MATLAB generated signal is transmitted using a radio-frequency (RF) front-end consisting of an Universal Software Radio Peripheral (USRP). Afterwards, the signal is received, demodulated and decoded. A constellation is obtained, the BER is calculated and the results are analyzed.