Machine-type direct-to-satellite communications : modeling and performance analysis

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 27 September 2024, at 12 noon

Abstract

Despite the massive progress in 5G and beyond systems, the deployed terrestrial networks do not provide ubiquitous coverage even on land; the situation is even worse in the open sea, which covers 70% of the Earth's surface. This disparity illustrates a significant digital divide. To address this vital need, global wireless coverage stands as one of the most crucial requirements for the upcoming 6G wireless networks to offer connectivity to both human and IoT machines.

This thesis advocates massive machine-type communication (mMTC) and low Earth orbit (LEO) satellite integration to enable direct connectivity from low-cost, low-power end devices to satellites without relying on a terrestrial network. This emerging form of new connectivity, machine-type direct-to-satellite (DtS) communications, promises to bridge the digital divide. However, DtS presents exciting challenges which need to be carefully examined and addressed. Among these challenges is LEO satellite mobility, which introduces a strong Doppler effect and time-varying channel conditions. Similarly, the long link distance ranging from hundreds to thousands of kilometers and the wide satellite footprint contributes to high propagation losses and massive interference, respectively. Additionally, terrestrial end devices possess limited energy resources. Therefore, successful DtS operation requires high energy efficiency, allowing the low-power signals to reach satellites orbiting thousands of kilometers away from Earth.

Motivated by the low-power and long-range capabilities of LoRaWAN, this thesis selected LoRa and LR-FHSS-based solutions for the modeling. This thesis develops novel Monte Carlo simulation and analytical models for DtS communications performance analysis. The results confirmed the feasibility and potential of both LoRa and LR-FHSS for DtS communications and highlighted the trade-off of different parameter configurations. In summary, LR-FHSS reveals better performance compared to LoRa, primarily due to its high sensitivity, robust Doppler resistance, and increased capacity, making it a suitable choice for DtS communications.

LR-FHSS end devices are expected to be powered by battery, therefore, it is vital to investigate the energy consumption of LR-FHSS. This work conducts experiments using real-life end devices and measures the LR-FHSS air-time and current consumption. We leverage these empirical measurement results to develop analytical models which give us the energy efficiency and battery lifetime of LR-FHSS end devices. LR-FHSS air-time model is highly important for accurate collisions modeling and scalability analysis.Tiivistelmä

Vaikka 5G- ja uudemmissa järjestelmissä on edistytty merkittävästi, nykyiset maanpäälliset verkot eivät ulotu kaikkialle edes maalla, saati avomerellä, jota on 70 prosenttia maapallon pinta-alasta. Tästä erosta voidaan havaita merkittävä digitaalinen kahtiajako. Tulevien langattomien 6G-verkkojen tärkeimpiä vaatimuksia on maailmanlaajuinen kuuluvuus, jotta tähän elintärkeään tarpeeseen voidaan vastata ja yhdistää sekä ihmiset että koneet.

Esitän tässä tutkielmassa, miten massiivisen laitteiden välisen viestinnän (massive machine-type communication, MMTC) ja matalan kiertoradan (low earth orbit, LEO) satelliittien avulla edulliset ja pienitehoiset päätelaitteet voivat saada satelliittiyhteyden ilman maanpäällistä verkkoa. Tämä uusi yhteysmuoto, suora laitteiden välinen satelliittiviestintä (direct-to-satellite, DtS), voi kuroa edellä mainitun digitaalisen kuilun umpeen. DtS-tekniikkaan liittyy kuitenkin mielenkiintoisia haasteita. Haasteena on muun muassa LEO-satelliittien liikkuvuus, mikä aiheuttaa voimakasta Doppler-ilmiötä ja ajassa vaihtelevia kanavan olosuhteita. Samoin yhteyden huomattava pituus (satoja tai tuhansia kilometrejä) ja laaja satelliitin peittoalue aiheuttavat suurta etenemisvaimennusta ja häiriötä tässä järjestyksessä. Lisäksi maanpäällisten päätelaitteiden energiabudjetti on rajallinen. Näin ollen onnistunut DtS:n käyttö edellyttää erinomaista energiatehokkuutta.

LoRaWAN-teknologian pienet tehovaatimukset ja pitkä kantama saivat minut valitsemaan tämän tutkielman mallinnukseen ratkaisut, jotka perustuvat LoRa- ja LR-FHSS-teknologiaan. Kehitän tutkielmassa uusia Monte Carlo -simulaatioita ja analyyttisiä malleja DtS-tietoliikenteen suorituskyvyn analysoimiseksi. Tulosten perusteella sekä LoRa- että LR-FHSS-teknologiassa on potentiaalia ja ne ovat toteuttamiskelpoisia DtS-tiedonsiirtoon. Tulokset myös korostavat erilaisista parametreista seuraavia kompromisseja. Yhteenvetona totean, että LR-FHSS:n suorituskyky oli LoRa-teknologiaa parempi, ensisijaisesti sen suuren herkkyyden, hyvän Doppler-ilmiön siedon ja suuremman kapasiteetin ansiosta, minkä ansiosta se on sopiva DtS-tiedonsiirtoon.

LR-FHSS-päätelaitteet ovat oletusarvoisesti akkukäyttöisiä, joten LR-FHSS-teknologian energiankulutuksen tutkiminen on ehdottoman tärkeää. Tein tässä tutkielmassa kokeita oikeilla päätelaitteilla ja mittasin LR-FHSS-teknologian lähetysaikaa ja virrankulutusta. Sovelsin empiirisiä mittaustuloksia sellaisten analyyttisten mallien kehittämiseen, joilla saatoin päätellä LR-FHSS-päätelaitteiden energiatehokkuuden ja akkukeston. LR-FHSS-lähetysaikamalli on tärkeä työkalu tarkkaan törmäysten mallintamiseen ja skaalautuvuuden analysoimiseen.