[논문 리뷰] 5G NB-IoT via low density LEO Constellations

René Sørensen, Henrik Krogh Møller외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 13.

IoT Networks and Protocols참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 나노 위성들을 기지국으로 사용하는 저밀도 저궤도 위성 기반 위성 페어링(LEO) 위성 기반 5G NB-IoT 시스템을 제안한다. 16 W 위성 송신기와 560 km 세포 반경을 갖는 시스템은 다운링크 대비 업링크 링크 예산을 6.8 dB 향상시켜 장거리 통신을 가능하게 하며, 장치의 복잡도를 최소화하면서 전 세계 IoT 커버리지를 달성한다. 다만 피더 링크의 끊김 문제로 인해 연속성을 확보하기 위해 위성에 핵심 네트워크 기능이 필요하다.

ABSTRACT

5G NB-IoT is seen as a key technology for providing truly ubiquitous, global 5G coverage (1.000.000 devices/km2) for machine type communications in the internet of things. A non-terrestrial network (NTN) variant of NB-IoT is being standardized in the 3GPP, which along with inexpensive and non-complex chip-sets enables the production of competitively priced IoT devices with truly global coverage. NB-IoT allows for narrowband single carrier transmissions in the uplink, which improves the uplink link-budget by as much as 16.8 dB over the 180 [kHz] downlink. This allows for a long range sufficient for ground to low earth orbit (LEO) communication without the need for complex and expensive antennas in the IoT devices. In this paper the feasibility of 5G NB-IoT in the context of low-density constellations of small-satellites carrying base-stations in LEO is analyzed and required adaptations to NB-IoT are discussed.

연구 동기 및 목표

• 소형 저비용 나노 위성을 기지국으로 사용하는 저밀도 LEO 위성 기반 위성 페어링(LEO) 기반 5G NB-IoT 시스템의 구현 타당성을 평가하기 위해.
• LEO NTN NB-IoT 환경에서의 업링크 및 다운링크 링크 예산을 분석하여 전파 손실, 도플러 시프트 및 전력 제약 조건을 중심으로 분석하기 위해.
• 고도로 동적인 저커버리지 LEO 환경에서의 운영을 위해 NB-IoT 프로토콜의 필수 적응 조치를 규명하고 제안하기 위해(예: RACH, 스케줄링 타이머, 페이징 메커니즘).
• 저밀도 위성 기반 위성 페어링에서의 피더 링크 끊김 및 위성 이동성 문제로 인해 발생하는 과제를 해결하기 위해, 특히 전력 제약이 있는 IoT 장치를 대상으로 하기 위해.
• 링크 수준 시뮬레이션을 통해 시스템 설계를 검증하고, 궤도상 시범 운영 및 3GPP 표준화로 향하는 길을 제안하기 위해.

제안 방법

• 궤도 역학 및 도플러 스프레드를 시뮬레이션하기 위해 600 km 고도의 LEO 궤도, 지구 반경 6357 km, 위성 속도 7.57 km/s를 기반으로 시스템 모델을 개발하였다.
• 업링크는 3.75–180 kHz 대역폭을 갖는 넓은 대역의 단일 Carrier-OFDMA(SC-FDMA)를 사용하며, 다운링크는 180 kHz 캐리어에서 OFDM를 사용하여 높은 링크 예산 이득을 달성한다.
• 링크 예산 분석 결과, 좁은 대역의 업링크 전송 덕분에 업링크가 다운링크 대비 6.8 dB 유리하여 LEO에서 지상 장치로의 장거리 통신이 가능하다.
• AWGN, NCU, NDH fading 조건 하에서 RACH 성능을 시뮬레이션하였으며, 신호 대 잡음비(SNR)에 따라 반복 수준을 조정하여 예비 신호 탐지의 신뢰성을 확보하였다.
• 스케줄링 타이머는 위성-UE 간 거리 변화를 고려하여 전방 이동 지연의 정수 배수만큼 오프셋을 주었으며, 동적 또는 고정 설정 옵션을 제안하였다.
• LEO 환경에 맞게 페이징 및 DRX 메커니즘을 조정하기 위해, 커버리지 외부에선 PSM을, 위성 수신 시 iDRX로 전환하여 에너지 소비를 최소화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 16 W 전력의 나노 위성과 560 km 세포 반경을 갖는 위성이 LEO NTN 환경에서 지상 IoT 장치로의 신뢰할 수 있는 NB-IoT 업링크 통신을 지원할 수 있는가?
• RQ2 저밀도 고속 이동성 LEO 기반 위성 기반 위성 페어링 환경에서 연결성을 유지하기 위해 NB-IoT 프로토콜(특히 RACH, 동기화, 페이징)에 필요한 적응 조치는 무엇인가?
• RQ3 업링크 링크 예산이 다운링크 대비 6.8 dB 유리한 것이 LEO NTN NB-IoT 구현의 시스템 설계 및 커버리지 제약에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 지상국이 가용하지 않은 경우, 특히 피더 링크가 끊기는 상황에서 이러한 영향을 완화하기 위한 전략은 무엇인가?
• RQ5 위성에 핵심 네트워크 기능(MME 등)과 스토어 앤 포워드 메커니즘을 구현할 경우, 피더 링크 장애 발생 시 서비스 연속성을 유지할 수 있는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 좁은 대역의 단일 Carrier 업링크 전송 덕분에 업링크 링크 예산이 다운링크보다 6.8 dB 유리하여 LEO에서 지상 장치로의 장거리 통신이 가능하다.
• 16 W 위성 송신 전력과 560 km 세포 지름은 NB-IoT 연결성을 충분히 지원할 수 있으나, 링크 예산을 균형 있게 만들기 위해 다운링크 전력을 60 W 증가시켜야 한다.
• RACH 성능 시뮬레이션 결과, SNR = -12 dB 조건에서 AWGN 및 NDH fading 환경에서 각각 신뢰성 있는 예비 신호 탐지 확보를 위해 128회의 반복이 필요하며, 탐지 실패율은 각각 8%와 13%였다.
• 다운링크 동기화 범위의 제약으로 인해 세포 크기는 약 500 km 지름으로 제한되며, 이는 송신 전력 증가 또는 안테나 이득 및 빔폭 최적화로 연장 가능하다.
• 피더 링크의 끊김 현상은 위성에 핵심 네트워크 기능(MME 등)과 스토어 앤 포워드 메커니즘을 구현하여 연결성 및 페이징 기능 유지에 필수적이다.
• 하이브리드 PSM/iDRX 접근 방식은 실현 가능하다: 커버리지 외부에선 PSM으로 진입하고 위성 수신 시 iDRX로 전환함으로써 에너지 소비를 줄이면서도 접근 가능성 유지가 가능하다.