Development of a 5G new radio based software satellite channel simulator for the railway scenario

The integration of Non-Terrestrial Networks (NTN) within 5G and future 6G standards is a critical research area aimed at extending global connectivity, particularly in regions with no terrestrial coverage. This thesis focuses on the design and development of a software-based satellite channel simulator to evaluate 5G New Radio (NR) waveform transmission in high-speed railway environments. The primary objective is to evaluate the impact of satellite channel impairments—such as shadowing, multipath fading, and Doppler effects—on 5G NR transmissions, providing insights into the feasibility of NR-based satellite communications for railway applications. The study begins with an extensive review of existing satellite channel models, analysing their suitability for NTN scenarios. Among various approaches, the Geometry-Based Stochastic Channel Model (GSCM) implemented in QuaDRiGa is identified as the most flexible and scalable solution. The research develops a software implementation of a downlink transmission from a geostationary (GEO) satellite to a high-speed train, utilizing the QuaDRiGa framework to model satellite channel characteristics and MATLAB’s 5G Toolbox to generate and process the NR waveform. Simulation results confirm the consistency of the channel model developed within QuaDRiGa’s framework. While the study finds no substantial advantage of specific numerologies under GEO satellite conditions, it suggests that higher subcarrier spacing (SCS) could mitigate inter-carrier interference (ICI) in future Low Earth Orbit (LEO) implementations. A comparative analysis between the QuaDRiGa NR Satellite Extension and the 5G-ALLSTAR channel models reveals notable differences in shadow fading behaviour, particularly in urban environments, calling for further validation. The findings establish a foundation for future research based on the developed satellite channel model. Future work should explore additional satellite orbits (LEO, MEO), MIMO configurations, alternative antenna designs, and integration with DVB-S2 for benchmarking.

L'integrazione delle Reti Non Terrestri (NTN) all'interno degli standard 5G e futuri 6G rappresenta un'area di ricerca fondamentale per estendere la connettività globale, in particolare nelle regioni prive di copertura terrestre. Questa tesi si concentra sulla progettazione e lo sviluppo di un simulatore software di canale satellitare per valutare la trasmissione della 5G New Radio (NR) waveform in scenari ferroviari ad alta velocità. L'obiettivo principale è analizzare l'impatto delle degradazioni del canale satellitare—come shadowing, fading multipath ed effetti Doppler—sulle trasmissioni 5G NR, fornendo approfondimenti sulla fattibilità delle comunicazioni satellitari basate su NR per applicazioni ferroviarie. Lo studio inizia con una revisione approfondita dei modelli di canale satellitare esistenti, analizzandone l'idoneità agli scenari NTN. Tra i vari approcci, il modello geometrico stocastico (GSCM) implementato in QuaDRiGa è identificato come la soluzione più flessibile e scalabile. La ricerca sviluppa un'implementazione software di una trasmissione in downlink da un satellite geostazionario (GEO) a un treno ad alta velocità, utilizzando il framework QuaDRiGa per modellare le caratteristiche del canale satellitare e la 5G Toolbox di MATLAB per generare ed elaborare la NR waveform. I risultati della simulazione confermano la coerenza del modello di canale sviluppato all'interno del framework QuaDRiGa. Sebbene lo studio non evidenzi un chiaro vantaggio di particolari numerologie in scenari satellitari GEO, suggerisce che una maggiore spaziatura tra le sottoportanti (SCS) potrebbe mitigare l'interferenza inter-portante (ICI) nelle future implementazioni con satelliti in orbita terrestre bassa (LEO). Un'analisi comparativa tra il modello QuaDRiGa NR Satellite Extension e il modello 5G-ALLSTAR rivela differenze significative nel comportamento dello shadow fading, in particolare negli ambienti urbani, richiedendo ulteriori validazioni. I risultati pongono le basi per ricerche future basate sul modello di canale satellitare sviluppato. I lavori futuri dovrebbero esplorare ulteriori orbite satellitari (LEO, MEO), configurazioni MIMO, design alternativi di antenne e l'integrazione con DVB-S2 per confronti prestazionali.Here goes the Abstract in English of your thesis followed by a list of keywords.