Cellular IoT in future non-terrestrial networks

Abstract

(English) Terrestrial cellular networks cover only 15% of Earth's surface, leaving vast regions without IoT connectivity. While sparse Low Earth Orbit satellite constellations offer global coverage potential, they exhibit discontinuous connectivity where service links (satellite-to-device) and feeder links (satellite-to-ground station) are intermittent and non-concurrent. This fundamentally violates 3GPP cellular protocol assumptions of continuous end-to-end connectivity, preventing reliable service delivery using conventional architectures. This thesis develops a comprehensive store and forward architecture enabling cellular IoT operation despite discontinuous connectivity; creates mechanisms for seamless multi-satellite operations through efficient UE context management; and optimizes resource utilization through algorithms that balance service quality with bandwidth constraints. The research introduces a store and forward architecture featuring regenerative satellite payloads with onboard core network components (MME/AMF) and specialized proxy functions. Two key innovations enable operation in this challenging environment: the Control Plane Management Function facilitates critical signaling procedures despite intermittent connectivity, while the User Plane Management Function ensures reliable data delivery through multi-stage buffering. Novel UE context dissemination mechanisms enable seamless handovers between satellites, with the system addressing complex synchronization challenges, particularly for security parameters like NAS counts that change with each message exchange. Performance analysis reveals significant geographical dependencies, with equatorial regions requiring more satellites than polar areas to maintain service levels due to orbital dynamics. The partial dissemination algorithms developed in this research intelligently exploit these patterns, optimizing context distribution based on UE location and application requirements. Validation through laboratory testbeds and orbital simulations demonstrates successful completion of 3GPP procedures in environments with non-concurrent connectivity, median end-to-end delays of 1.63 hours for mobile-originated traffic, 56% reduction in context dissemination overhead through partial algorithms, and order-of-magnitude improvement in mobile-terminated delays through intelligent satellite selection (1.5 vs. 15-16 hours). The system achieves seamless multi-satellite operation without requiring UE re-registration. The technology has been successfully transferred to industry, with the Control Plane Management Function concepts implemented by Sateliot in their operational NB-IoT satellite constellation, validating the practical applicability of these innovations. This thesis establishes the first comprehensive architectural framework for cellular IoT over sparse LEO constellations, addressing critical gaps in current 3GPP NTN standardization. The store and forward mechanisms and context management algorithms enable cost-effective global connectivity while maintaining standards compliance, transforming connectivity failures into managed delays for remote IoT applications. Future work includes integration with 6G architectures, AI-enhanced context distribution, and incorporation into 3GPP Release 20+ specifications.

(Català) Les xarxes cel·lulars terrestres cobreixen només el 15% de la superfície terrestre, deixant vastes regions sense connectivitat d'Internet de les coses (IoT). Tot i que les constel·lacions de satèl·lits en òrbita terrestre baixa (LEO) petites tenen el potencial d'oferir cobertura global, presenten una connectivitat discontínua, amb enllaços de servei (satèl·lit-dispositiu) i enllaços d'alimentació (satèl·lit-estació terrestre) intermitents i no concurrents. Això incompleix fonamentalment els protocols cel·lulars 3GPP, que pressuposen connectivitat contínua d'extrem a extrem, impedint la prestació fiable de serveis mitjançant arquitectures convencionals. Aquesta tesi desenvolupa una arquitectura integral d'emmagatzematge i reenviament de dades que permet l'operativa d'IoT cel·lular via satèŀlit malgrat la connectivitat discontínua, crea mecanismes per a operacions multi-satèl·lit fluides mitjançant una gestió eficient del context de l'equip de l'usuari (UE) i optimitza l'ús de recursos a través d'algorismes que equilibren la qualitat del servei amb les restriccions d'amplada de banda. La recerca introdueix una arquitectura d'emmagatzematge i reenviament en plataformes de satèl·lit regeneratives que executen components de xarxa de nucli (CN) a bord (MME/AMF) i funcions de servidor intermediari especialitzades. Dues innovacions clau permeten l'operació en aquest entorn desafiant: la Funció de gestió del pla de control, que facilita procediments de senyalització crítics malgrat la connectivitat intermitent, i la Funció de gestió del pla d'usuari, que assegura el lliurament fiable de dades mitjançant l'emmagatzematge en múltiples etapes. Els nous mecanismes de disseminació de context dels UEs en permeten la transferència fluida entre satèl·lits, abordant complexos reptes de sincronització, particularment per a paràmetres de seguretat com els comptadors NAS que evolucionen amb cada intercanvi de missatges. L'anàlisi de rendiment revela dependències geogràfiques significatives, requerint les regions equatorials més satèl·lits que les àrees polars per mantenir nivells de servei equivalents a causa de la dinàmica orbital. Els algoritmes de disseminació parcial desenvolupats exploten convenientment aquests patrons, optimitzant la distribució de context basant-se en la ubicació de l'UE i els requisits de l'aplicació. La validació mitjançant entorn de proves al laboratori i simulacions orbitals demostra la finalització satisfactòria dels procediments 3GPP en entorns amb connectivitat no concurrent, amb retards d'extrem a extrem mitjans d'1,63 hores per a trànsit originat per l'usuari, un estalvi del 56% en la càrrega de treball de disseminació de context mitjançant algorismes parcials, i la millora d'un ordre de magnitud en els retards del trànsit destinat a l'usuari mitjançant la selecció intel·ligent de satèl·lits (1,5 h vs. 15-16 h). Així, el sistema aconsegueix una operació multi-satèl·lit fluida sense requerir procediments de registre a la xarxa addicionals per part de l'UE. La tecnologia ha estat transferida amb èxit a la indústria, i els conceptes de la Funció de gestió del pla de control han estat implantats per Sateliot en la seva constel·lació operativa de satèl·lits NB-IoT, validant l'aplicabilitat pràctica d'aquestes innovacions. Aquesta tesi estableix el primer marc arquitectònic integral per a IoT cel·lular sobre constel·lacions LEO petites, abordant bretxes crítiques en l'estandardització actual de NTN en 3GPP. Els mecanismes d'emmagatzematge i reenviament de dades i els algoritmes de gestió de context permeten oferir una connectivitat global econòmicament rendible mentre que es manté la conformitat amb els estàndards, transformant la manca de connectivitat en una comunicació amb retards fitats per a aplicacions IoT remotes. El treball futur inclou la integració amb arquitectures 6G, la distribució de context millorada per IA i la incorporació en les especificacions 3GPP de la Versió 20 en endavant.

(Español) Las redes celulares terrestres cubren solo el 15% de la superficie terrestre, dejando vastas regiones sin conectividad de Internet de las Cosas (IoT). Aunque las constelaciones de satélites en órbita terrestre baja (LEO) pequeñas tienen potencial de ofrecer cobertura global, presentan una conectividad discontinua, con los enlaces de servicio (satélite-dispositivo) y enlaces de alimentación (satélite-estación terrestre) intermitentes y no concurrentes. Esto incumple fundamentalmente los protocolos celulares 3GPP, que presuponen conectividad continua de extremo a extremo, impidiendo la prestación fiable de servicios mediante arquitecturas convencionales. Esta tesis desarrolla una arquitectura integral de almacenamiento y reenvío que permite la operativa de IoT celular vía satélite a pesar de la conectividad discontinua, crea mecanismos para operaciones multi-satélite fluidas mediante gestión eficiente del contexto del equipo del usuario (UE) y optimiza el uso de recursos a través de algoritmos que equilibran la calidad del servicio con las restricciones de ancho de banda. La investigación introduce una arquitectura de almacenamiento y reenvío en plataformas regenerativas que ejecutan componentes de la red de núcleo (CN) a bordo (MME/AMF) y funciones proxy especializadas. Dos innovaciones clave permiten la operación en este entorno desafiante: la función de gestión del plano de control, que facilita procedimientos de señalización críticos a pesar de la conectividad intermitente, y la función de gestión del plano de usuario, que asegura la entrega fiable de datos mediante el almacenamiento en múltiples etapas. Los nuevos mecanismos de diseminación de contexto de los UEs permiten su transferencia entre satélites de manera fluida, abordando desafíos de sincronización, particularmente para parámetros de seguridad como los contadores NAS que evolucionan con cada intercambio de mensajes. El análisis de rendimiento revela dependencias geográficas significativas, requiriendo las regiones ecuatoriales más satélites que las áreas polares para mantener niveles de servicio equivalentes debido a la dinámica orbital. Los algoritmos de diseminación parcial desarrollados explotan estos patrones, optimizando la distribución de contexto basándose en la ubicación del UE y los requisitos de la aplicación. La validación mediante entorno de pruebas y simulaciones orbitales demuestra la finalización exitosa de los procedimientos 3GPP en entornos con conectividad no concurrente, con retardos de extremo a extremo medianos de 1,63 horas para tráfico originado por el usuario, una reducción del 56% en la carga de trabajo de diseminación de contexto mediante algoritmos parciales, y la mejora de un orden de magnitud en los retardos del tráfico destinado al usuario mediante la selección inteligente de satélites (1,5 h vs. 15-16 h). El sistema logra una operación multi-satélite fluida sin requerir procedimientos de registro en la red adicionales por parte del UE. La tecnología ha sido transferida exitosamente a la industria, y los conceptos de la función de gestión del plano de control han sido implantados por Sateliot en su constelación operativa de satélites NB-IoT, validando la aplicabilidad práctica de estas innovaciones. Esta tesis establece el primer marco arquitectónico integral para IoT celular sobre constelaciones LEO pequeñas, abordando brechas críticas en la estandarización actual de NTN en 3GPP. Los mecanismos de almacenamiento y reenvío y los algoritmos de gestión de contexto permiten ofrecer una conectividad global económicamente rentable mientras que se mantiene la conformidad con los estándares, transformando la falta de conectividad en una comunicación con retardos acotados para aplicaciones IoT remotas. El trabajo futuro incluye la integración con arquitecturas 6G, la distribución de contexto mejorada por IA y la incorporación en las especificaciones 3GPP de la Versión 20 en adelante.