Master's Thesis

Simulation of 5G Non-Terrestrial-Networks in NS-3 framework

Final Thesis 2.46 MB

Author of thesis: Bc. Peter Pánisz

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Štůsek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Radim Dvořák

Abstract:

With the increasing number of communication devices, the current infrastructure of terrestrial 5G networks is becoming insufficient to cover remote locations. The goal of this master’s thesis is to explain the use of satellite communication in 5G networks, referred to as Non-Terrestrial Networks (NTN). The theoretical part focuses on describing 5G technology, with an emphasis on the specifics and integration possibilities of satellite systems. The practical part is dedicated to working with the Network Simulator 3 (NS-3) simulation tool. One of the objectives is to set up this simulator along with the key NS-3-NTN and LENA-NB (or LENA 5G) modules. To fulfill the thesis requirements, the simulator was significantly extended with a realistic random access model and the calculation of satellite orbits. These modifications enabled the modeling of the dynamic movement of real constellations, including handovers. The result of the thesis is a functional system for simulating NB-IoT (Narrowband Internet of Things) NTN with real constellations. An additional demonstration of the system’s capabilities confirmed that denser satellite constellations effectively mitigate network access congestion.

Keywords:

5G, IoT, LENA, LPWAN, Narrowband, NTN, NS-3, satellite communication, simulation

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Student obhájil diplomovou práci a odpověděl na otázky členů komise a oponenta. Otázky: 1. Jaké konkrétní hodnoty (rovnice/metody) jsou použity pro výpočet SINR pro rozhodovací mechanismus detekce? 2. Pro komunikaci mezi družicemi se v rámci 5G jeví vhodné milimetrové vlny. Co si o tomto myslíte?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Telecommunications

Study programme

Communications and Informatics (MPC-TIT)

Composition of Committee

prof. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Petr Sysel, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jiří Vodrážka, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Štůsek, Ph.D. (člen)
Ing. Radim Číž, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Dvořák, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Myška, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Schiller (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Štůsek, Ph.D.

Diplomová práce studenta Bc. Pánizse Petera se zabývá analýzou a simulací NTN (Non-Terestrial Networks) komunikací v rámci systémů 5G. Teoretická část práce detailně popisuje technologie družicové komunikace, zejména standardu NB-IoT (Narrowband Internet of Things) jež je základem 5G NTN. Praktická část práce se zaměřuje na implementaci těchto technologií do nástroje NS-3 (Network Simulator 3).

Technická úroveň práce je na velmi vysoké úrovni, zejména musím vyzdvihnout studentův podrobný popis objevených limitací a chyb v nástroji NS-3 a jejich následnou opravu. Všechny tyto kroky ukazují studentovu hlubokou znalost dané problematiky.

Student v průběhu celého semestru aktivně komunikoval a projevil velkou míru samostatnosti jak již při řešení objevených chyb v NS-3 tak při implementaci rozšíření simulačního nástroje. Výslednou práci tak musím hodnotit jako velmi nadprůměrnou. Na základě výše uvedeného hodnotím práci A/98 bodů a doporučuji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Radim Dvořák

Pan student Bc. Pánisz vypracoval diplomovou práci na nejednoduché téma „Simulace družicové komunikace v sítích 5G s využitím nástroje NS-3“.
V teoretické části práce student řeší obecný popis technologií 5G-IoT s detailem na fyzickou vrstvu pro technologie NB-IoT a Cat-M. Dále se detailně věnuje popisu neterestriálních sítí (NTN) pro 5G. V praktické části je posléze řešena vlastní implementace rozšiřujícího modulu pro simulátor NS3, která umožňuje NTN simulace s reálnými parametry v tomto prostředí.
Ze stylistického a jazykového pohledu je práce v pořádku. Práce obsahuje úměrné množství citací k složitosti tématu (bezmála 70) zejména z odborných zdrojů, kdy jednotlivé části textu jsou řádně citovány. Drobnou výtku bych měl k občasné absenci doplňujících ilustrací, případně přehledových tabulek v místech, kde by to bylo příhodné (např. podkapitoly 4.3.4 a 4.5.6), kdy jsou zde informace popsány pouze textově v odstavcích.
Praktický výstup práce a přínos jsou na výborné úrovni, kdy vytvořené rozšíření a úpravy simulačního nástroje NS3 jsou plně funkční (vlastní zkušenost) a implementace byla validována vůči komunitně uznávaným alternativám pro simulace podobné problematiky (MATLAB 5G Toolbox). Je zcela evidentní, že student se v dané problematice orientuje velice dobře, což dosvědčuje i nalezení a opravení chyby v základním modulu NS3-NTN.
Z výše uvedených důvodů a s ohledem na složitost téma, kterému student musel bezpochyby věnovat nadstandardní úsilí v rámci seznámení se s velkým kvantem odborných technických textů skupiny 3GPP a jiných, hodnotím práci stupněm A (99 bodů) a doporučuji k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. Jaké konkrétní hodnoty (rovnice/metody) jsou použity pro výpočet SINR pro rozhodovací mechanismus detekce?
Points proposed by reviewer: 99

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová