Coverage evaluation of narrowband-IoT in the Milan area

This Thesis work focuses on long-range connectivity solutions applied in the field of the Internet of Things, in particular on the standard called Narrowband-IoT, promoted by the 3rd Generation Partnership Project to support Machine Type Communication (MTC) applications, in which the transmitted data is generated, exchanged and processed in a fully automatic fashion between smart devices, with minimal human intervention. In particular NB-IoT is a technology based on the re-use of existing access network infrastructure, already used for common LTE mobile communication networks, and targets MTC applications characterized by infrequent and short messages, such as periodic reports transmitted every certain number of hours. Other key features include a higher level of coverage reached by a single Base Station, 20 dB higher than the performance in the GSM case, the support to a very large number of devices, equal to about 50 thousand devices per cell, and the guarantee of 10 years duration for the battery that powers these devices. The case study is the implementation of this technology in a real scenario, which is the urban area of ​​Milan, using data available on existing Base Stations belonging to a single network operator. Different alternatives are proposed in terms of network design, optimized according to the intensity of indoor-type attenuation to which we want to cope, since IoT devices are often subject to these mitigations. The different configurations are studied in terms of performance of different categories of users and applications. The goal of this work is to identify the best configuration that allows to meet the coverage, latency and power consumption requirements, set by the standardization body, minimizing the number of Base Stations involved, reducing the initial costs of large-scale implementation of this standard.

Questo lavoro di tesi si focalizza sulle soluzioni di connettività di tipo long-range applicate nell'ambito dell'Internet of Things, in particolare sullo standard denominato Narrowband-IoT, promosso dal 3rd Generation Partnership Project per supportare applicazioni di tipo Machine Type Communication, in cui i dati trasmessi sono generati, scambiati e processati in maniera completamente automatica tra dispositivi intelligenti, con un minimo intervento da parte dell'uomo. In particolare NB-IoT è una tecnologia basata sul riutilizzo dell'infrastruttura di rete di accesso esistente, già impiegata per le comuni reti di comunicazione mobile LTE, ed è rivolto alle applicazioni MTC caratterizzate da messaggi brevi ed infrequenti, come ad esempio report periodici trasmessi ogni certo numero di ore. Tra le altre caratteristiche chiave vi sono un maggior livello di copertura raggiungibile da una singola Base Station, di 20 dB maggiore rispetto alle performance nel caso GSM, il supporto ad un numero molto grande di dispositivi, pari a circa 50mila device per cella, e la garanzia di 10 anni di durata per la batteria che alimenta questi dispositivi. Il caso di studio trattato consiste nell'implementazione di questa tecnologia in uno scenario reale, ovvero l'area urbana di Milano, utilizzando i dati disponibili riguardanti le Base Station esistenti, appartenenti ad un singolo operatore di rete. Sono proposte differenti alternative in termini di dimensionamento della rete, ottimizzate a seconda dell'intensità di attenuazione di tipo indoor a cui si vuole far fronte, dal momento che i dispositivi IoT sono spesso soggetti a queste mitigazioni. Le diverse configurazioni sono studiate in termini di performance per diverse categorie di utenti e di applicazioni. L'obiettivo di questo lavoro è quello di individuare la migliore configurazione che permette di soddisfare i requisiti di copertura, latenza e consumo energetico stabiliti dall'ente di standardizzazione, minimizzando il numero di Base Stations impiegate per ridurre i costi iniziali di implementazione su larga scala di questo standard.