Synchronization impairments in NB-IoT for non terrestrial networks

The integration of Narrowband Internet of Things (NB-IoT) with Non-Terrestrial Networks (NTNs) has emerged as a promising solution to extend connectivity to remote and underserved regions. However, unlike terrestrial networks, satellite links are strongly affected by synchronization impairments, including Doppler shift, differential Doppler across users, carrier frequency offset (CFO), and symbol timing offset (STO). These impairments, together with the long propagation delays inherent to satellite channels, degrade link reliability and system performance in NB-IoT, which relies on narrowband transmissions highly sensitive to frequency and timing errors [4, 5, 13]. This thesis focuses on the impact of synchronization errors and propagation delays on NBIoT over NTNs, with particular emphasis on amplify-and-forward (AF) two-hop satellite links. Such architectures are relevant to both LEO and GEO systems, where signals experience free-space path loss (FSPL), long round-trip times (RTTs), and amplified noise after relaying, further compounding synchronization errors. To study these effects, a complete simulation framework was developed, implementing SC-FDMA transmission, Doppler modeling, synchronization offsets, fading, and Additive White Gaussian Noise (AWGN). The simulator explicitly accounts for altitude-dependent FSPL, realistic slant-range propagation delays, and AF relay operation. Also multiple scenarios were explored. Analytical models were also derived to validate the simulator, confirming alignment between theoretical and simulated Bit Error Rate (BER) under various synchronization conditions. Performance metrics such as BER, goodput, and latency were analyzed across different synchronization scenarios. Results show that even after GNSS-based pre-compensation, residual Doppler and timing offsets cause significant inter-carrier interference (ICI) and phase rotation in NB-IoT uplink, leading to degraded decoding performance at higher orbital altitudes or longer payloads. Propagation delay was found to exacerbate these impairments by reducing the effectiveness of timing alignment [2, 8]. This work provides both theoretical insights and practical guidelines for understanding synchronization impairments in NB-IoT over NTNs. By quantifying the penalties introduced by Doppler, delay, and residual synchronization errors, it contributes to the broader effort of enabling robust NB-IoT communication in 5G and 6G non-terrestrial networks, where synchronization-aware design is essential for reliability and scalability.

L’integrazione del Narrowband Internet of Things (NB-IoT) con le Non-Terrestrial Networks (NTN) è emersa come una soluzione promettente per estendere la connettività alle aree remote e poco servite. Tuttavia, a differenza delle reti terrestri, i collegamenti satellitari sono fortemente influenzati da errori di sincronizzazione, dovuti allo spostamento Doppler, al Doppler differenziale tra utenti, allo scostamento di frequenza portante (CFO) e allo scostamento temporale di simbolo (STO). Questi effetti, uniti ai lunghi ritardi di propagazione intrinseci ai canali satellitari, degradano l’affidabilità del collegamento e le prestazioni del sistema NB-IoT, che si basa su trasmissioni a banda stretta altamente sensibili agli errori di frequenza e di temporizzazione. La presente tesi analizza l’impatto degli errori di sincronizzazione e dei ritardi di propagazione su NB-IoT in scenari NTN, con particolare attenzione ai collegamenti satellitari a due salti di tipo amplify-and-forward (AF). Tali architetture sono rilevanti sia nei sistemi LEO che GEO, dove i segnali sono soggetti a perdita di percorso in spazio libero (FSPL), lunghi tempi di andata e ritorno (RTT) e amplificazione del rumore durante il rilancio, aggravando ulteriormente gli errori di sincronizzazione. Per lo studio di questi effetti è stato sviluppato un framework di simulazione completo, che implementa trasmissioni SC-FDMA, modellazione del Doppler, offset di sincronizzazione, fading e rumore AWGN. Il simulatore tiene conto in modo esplicito della FSPL dipendente dall’altitudine, dei ritardi di propagazione realistici lungo la traiettoria e del modello AF relay. Sono stati esaminati diversi scenari, inclusi trasmissioni single-user e multi-user, allocazioni ortogonali e non ortogonali delle sottoportanti, e sweep di altitudine tra orbite LEO e MEO. Sono stati inoltre derivati modelli analitici per validare i risultati della simulazione, mostrando un buon allineamento tra Bit Error Rate (BER) teorico e simulato in condizioni di sincronizzazione variabili. L’analisi delle prestazioni, in termini di BER, goodput e latenza, ha evidenziato che anche dopo la pre-compensazione basata su GNSS, i residui Doppler e gli offset temporali causano significative interferenze inter-portante (ICI) e rotazioni di fase nell’uplink NBIoT, con conseguente degrado delle prestazioni di decodifica soprattutto ad altitudiniorbitali più elevate o per payload di lunghezza maggiore. Inoltre, i ritardi di propagazione riducono l’efficacia dell’allineamento temporale e dei timer HARQ, peggiorando ulteriormente le prestazioni complessive. Questo lavoro fornisce sia una comprensione teorica sia linee guida pratiche sugli effetti degli errori di sincronizzazione in NB-IoT su NTNs. Quantificando le penalità introdotte da Doppler, ritardo e offset residui di sincronizzazione, esso contribuisce allo sforzo più ampio di garantire comunicazioni NB-IoT robuste nelle reti non terrestri 5G e 6G, dove la progettazione “synchronization-aware” è essenziale per affidabilità e scalabilità.