Access mechanisms for massive Internet of Things in 5G and beyond networks

Abstract

(English) The Massive Internet of Things (MIoT) characterizes a communication scenario where a massive number of battery-operated devices perform infrequent, primarily uplink-oriented small data transmissions to a network. The connectivity and management of a massive number of such devices pose challenges, and this thesis aims to tackle the issues related to the initial access mechanism of MIoT in the context of 5G and beyond networks. The thesis begins by conducting a thorough examination of both licensed and unlicensed spectrum technologies for the MIoT. Additionally, we investigate different test beds and simulators employed for the analysis. In the initial phase of the thesis, our focus is on examining existing standardized technologies in Massive IoT, with specific attention given to the Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT) as a critical component for supporting MIoT in 5G networks. The performance of the NB-IoT access procedure is thoroughly analyzed under different network densities and combinations of configuration parameters. The findings lead to the development of an adaptive access mechanism that adjusts the access parameters based on the anticipated network density, improving the overall performance of the access procedure.

In the subsequent stages of the study, we qualitatively analyzed network-based and User Equipment (UE) based relaying solutions for IoT applications, motivated by the fact that effective support of IoT requires cellular service in deep coverage areas. Relaying is a promising solution to extend the coverage while at the same time meeting the battery life requirements of IoT devices. While various relay-ing architectures and technologies have emerged in research and standardization, it is not yet clear which is best suited for IoT applications. Hence, we examine relay architectures and evaluate the suitability of UE-based relaying and network-based relaying solutions for IoT applications. We analyze the relaying solutions in terms of radio aspects, such as connection establishment, protocol architecture, and resource allocation. Our findings suggest that even though the standardized layer-2 network-based relaying solution (e.g., integrated access and backhaul networks) may be better suited to handle large numbers of low-complexity, low energy-consuming devices with better interference management, any optimizations aimed at supporting IoT traffic will directly affect existing networks, such as the introduction of new control plane signaling over the Uu interface. Conversely, the standardized layer-3 UE-based relaying solution can be optimized for handling massive IoT relaying with minimal impact on existing networks, since the optimizations can be made on the PC-5 interface with a subdued effect on the Uu interface.

Based on the outcome of the qualitative study of relaying architecture, we analyze the suitability of layer-3 relaying over the New Radio (NR)-PC5 interface to support massive IoT applications. More precisely, we study the unicast connection establishment mechanism over the NR PC5 interface in a partial coverage scenario. Further, a set of optimizations on the NR-PC5 procedure to effectively support massive IoT applications are proposed and analyzed. The obtained performance evaluation results, which are presented in terms of data success probability, device power consumption, and signaling overhead, quantify how effectively the NR-PC5 interface can support the requirement of IoT in the 5G and beyond era. The proposed sidelink small data transmission and frame-level access provides the largest gain overall and can reduce the device power consumption by an average of 68 percent and signaling overhead by 15 percent while maintaining a data success probability of more than 90 percent in an International Mobile Telecommunications (IMT)-2020 defined IoT traffic scenario.

(Català) L'Internet de les Coses Massiu (MIoT) descriu un escenari de comunicació en què molts dispositius amb bateria realitzen transmissions de dades petites, poc freqüents i principalment orientades a l'enviament. La connectivitat i gestió d'un gran nombre d'aquests dispositius plantegen reptes, i aquesta tesi busca resoldre els problemes relacionats amb el mecanisme d'accés inicial del MIoT en el context de les xarxes 5G i més enllà. La tesi comença amb una anàlisi exhaustiva de les tecnologies de l'espectre llicenciat i no llicenciat per al MIoT i explora diferents bancs de proves i simuladors per a l'anàlisi. En la fase inicial, ens centrem en les tecnologies estandarditzades de MIoT, amb èmfasi especial en el Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT) com a component essencial per donar suport al MIoT en xarxes 5G. Analitzem el rendiment del procediment d'accés NB-IoT sota diverses densitats de xarxa i paràmetres de configuració. Els resultats condueixen a un mecanisme d'accés adaptatiu que ajusta els paràmetres d'accés segons la densitat de xarxa anticipada, millorant el rendiment del procediment.

En etapes posteriors, analitzem qualitativament solucions de retransmissió basades en xarxa i en dispositius d'usuari (UE) per a aplicacions IoT, ja que donar suport efectiu a l'IoT requereix servei cel·lular en àrees de cobertura profunda. La retransmissió és una opció prometedora per a ampliar la cobertura i satisfer els requisits de bateria dels dispositius IoT. Tot i que han sorgit diverses arquitectures de retransmissió en la investigació i estandardització, encara no queda clar quina és la millor per a aplicacions IoT. Per tant, examinem les arquitectures de retransmissió i avaluem la idoneïtat de les solucions basades en UE i xarxa per a aplicacions IoT. Analitzem les solucions de retransmissió pel que fa a l'establiment de connexions, arquitectura de protocols i assignació de recursos. Els nostres resultats suggereixen que, encara que la solució de retransmissió basada en xarxa de capa-2 estandarditzada (p. ex., xarxes d'accés integrades i de retrocés) pot ser millor per gestionar molts dispositius de baixa complexitat i consum d'energia baix amb una millor gestió de la interferència, qualsevol optimització per donar suport al tràfic IoT impactarà directament les xarxes existents, com la introducció de nous senyals de control a través de la interfície Uu. En canvi, la solució de retransmissió basada en UE de capa-3 es pot optimitzar per gestionar la retransmissió massiva de l'IoT amb un impacte mínim a les xarxes existents, ja que les optimitzacions es poden fer a la interfície PC-5 amb poc efecte sobre la interfície Uu.

A partir dels resultats de l’estudi qualitatiu de l’arquitectura de retransmissió, analitzem la idoneïtat de la retransmissió de capa-3 a través de la interfície NR-PC5 per donar suport a aplicacions d’IoT massiu. En particular, estudiem el mecanisme d'establiment de connexions unicast sobre la interfície NR PC5 en un escenari de cobertura parcial. A més, es proposa i analitza un conjunt d'optimitzacions del procediment NR-PC5 per donar suport efectiu a aplicacions de MIoT. Els resultats d’avaluació del rendiment, presentats en termes de probabilitat d'èxit de dades, consum d'energia dels dispositius i sobrecàrrega de senyalització, quantifiquen com la interfície NR-PC5 pot donar suport als requisits de l'IoT en l'era 5G i més enllà. La proposta de transmissió de dades petites mitjançant l'enllaç lateral i accés a nivell de trama ofereix el major guany global i pot reduir el consum d'energia del dispositiu en un 68% de mitjana i la sobrecàrrega de senyalització en un 15%, mantenint una probabilitat d'èxit de dades superior al 90% en un escenari de trànsit IoT definit per les Telecomunicacions Mòbils Internacionals (IMT) -2020.

(Español) El Internet de las Cosas Masivo (MIoT) describe un escenario de comunicación en el que una gran cantidad de dispositivos con batería realizan transmisiones de datos pequeñas, poco frecuentes y principalmente orientadas al envío. La conectividad y la gestión de este gran número de dispositivos plantean desafíos, y esta tesis busca resolver los problemas relacionados con el mecanismo de acceso inicial del MIoT en el contexto de las redes 5G y futuras. La tesis comienza con un análisis exhaustivo de las tecnologías de espectro licenciado y no licenciado para el MIoT, y explora diferentes bancos de pruebas y simuladores para el análisis. En la fase inicial, nos centramos en las tecnologías estandarizadas de MIoT, con especial énfasis en el Narrow-Band Internet of Things (NB-IoT) como un componente esencial para soportar el MIoT en redes 5G. Se analiza el rendimiento del procedimiento de acceso de NB-IoT bajo diversas densidades de red y configuraciones de parámetros. Los resultados conducen a un mecanismo de acceso adaptativo que ajusta los parámetros de acceso según la densidad de red anticipada, mejorando el rendimiento del procedimiento.

En etapas posteriores, analizamos cualitativamente soluciones de retransmisión basadas en red y en dispositivos de usuario (UE) para aplicaciones IoT, ya que el soporte efectivo del IoT requiere servicio celular en áreas de cobertura profunda. La retransmisión es una opción prometedora para ampliar la cobertura y satisfacer los requisitos de batería de los dispositivos IoT. Aunque han surgido varias arquitecturas de retransmisión en la investigación y estandarización, aún no queda claro cuál es la mejor para aplicaciones de IoT. Por lo tanto, examinamos las arquitecturas de retransmisión y evaluamos la idoneidad de las soluciones basadas en UE y en red para aplicaciones de IoT. Analizamos las soluciones de retransmisión en términos de establecimiento de conexiones, arquitectura de protocolos y asignación de recursos. Nuestros hallazgos sugieren que, aunque la solución de retransmisión basada en red estandarizada de capa-2 (por ejemplo, redes de acceso y retroceso integradas) puede ser mejor para gestionar numerosos dispositivos de baja complejidad y bajo consumo de energía con una mejor gestión de la interferencia, cualquier optimización para soportar el tráfico IoT impactará directamente en las redes existentes, como la introducción de nueva señalización en el plano de control a través de la interfaz Uu. En cambio, la solución de retransmisión basada en UE de capa-3 se puede optimizar para gestionar la retransmisión masiva de IoT con un impacto mínimo en las redes existentes, ya que las optimizaciones se pueden realizar en la interfaz PC-5 con un efecto reducido en la interfaz Uu.

A partir de los resultados del estudio cualitativo de la arquitectura de retransmisión, analizamos la idoneidad de la retransmisión de capa-3 a través de la interfaz NR-PC5 para soportar aplicaciones de IoT masivo. En particular, estudiamos el mecanismo de establecimiento de conexiones unicast sobre la interfaz NR PC5 en un escenario de cobertura parcial. Además, se propone y analiza un conjunto de optimizaciones del procedimiento NR-PC5 para soportar de manera efectiva aplicaciones de MIoT. Los resultados de la evaluación del rendimiento, presentados en términos de probabilidad de éxito de datos, consumo de energía de los dispositivos y sobrecarga de señalización, cuantifican cómo la interfaz NR-PC5 puede satisfacer los requisitos del IoT en la era del 5G y más allá. La propuesta de transmisión de datos pequeños mediante el enlace lateral y acceso a nivel de trama ofrece el mayor beneficio general y puede reducir el consumo de energía del dispositivo en un 68% en promedio y la sobrecarga de señalización en un 15%, manteniendo una probabilidad de éxito de datos superior al 90% en un escenario de tráfico IoT definido por las Telecomunicaciones Móviles Internacionales (IMT)-2020.