[論文レビュー] SuperCell: A Wide-Area Coverage Solution Using High-Gain, High-Order Sectorized Antennas on Tall Towers

Pratheep Bondalapati, Abhishek Tiwari+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、200mを超える高さの塔に高利得・高次数のセクタ型アンテナを設置することで、最大36の方位セクタにわたる高密度周波数再利用を実現し、5倍の広域カバレッジと高容量を達成する広域農村ネットワークカバレッジソリューション「SuperCell」を提案する。この手法は、ルネブルグレンズ、フェーズドアレイ、空間多重アンテナシステムを統合し、プロパゲーションモデリング、3次元レイトラスティング、およびニューメキシコ州・ミシシッピ州の農村地域における実地試験によって検証された。多様な地形においても堅牢な性能を示した。

ABSTRACT

In this article we introduce a novel solution called SuperCell, which can improve the return on investment (ROI) for rural area network coverage. SuperCell offers two key technical features: it uses tall towers with high-gain antennas for wide coverage and high-order sectorization for high capacity. We show that a solution encompassing a high-elevation platform in excess of 200 meters increases coverage by 5x. Combined with dense frequency reuse by using as many as 36 azimuthal sectors from a single location, our solution can adequately serve the rural coverage and capacity demands. We validate this through propagation analysis, modeling, and experiments. The article gives a design perspective using different classes of antennas: Luneburg lens, active/passive phased array, and spatial multiplexing solutions. For each class, the corresponding analytical model of the resulting signal-to-interference plus noise ratio (SINR) based range and capacity prediction is presented. The spatial multiplexing solution is also validated through field measurements and additional 3D ray-tracing simulation. Finally, in this article we also shed light on two recent SuperCell field trials performed using a Luneburg lens antenna system. The trials took place in rural New Mexico and Mississippi. In the trials, we quantified the coverage and capacity of SuperCell in barren land and in a densely forested location, respectively. In the article, we demonstrate the results obtained in the trials and share the lessons learned regarding green-field and brown-field deployments.

研究の動機と目的

• 農村地域のネットワーク展開における高コストと低リターンの課題を解決するため、カバレッジ効率を向上させること。
• 農村地域における広域カバレッジと高容量接続を両立する課題を解決すること。
• 高高度プラットフォームに高利得・高次数セクタ型アンテナを用いることで、スケーラブルな農村接続を実現する可能性を検討すること。
• 実環境条件下における異なるアンテナ技術（ルネブルグレンズ、フェーズドアレイ、空間多重）の性能を検証すること。
• 実地試験を通じて、グリーンフィールドおよびブラウンフィールドの両展開シナリオにおけるSuperCellの評価を行うこと。

提案手法

• 200メートルを超える高さの塔に高利得・高次数セクタ型アンテナを設置し、カバレッジ範囲を拡大すること。
• 1基の基地局サイトから最大36の方位セクタにわたる高密度周波数再利用を実装すること。
• 解析的モデルを用いて、3種類のアンテナタイプ（ルネブルグレンズ、アクティブ/パasiveフェーズドアレイ、空間多重）の信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）および容量を予測すること。
• 複雑な環境における電波伝搬および干渉をモデル化するため、3次元レイトラスティングシミュレーションを実施すること。
• ニューメキシコ州（荒廃地帯）およびミシシッピ州（森林地帯）の農村地域で、ルネブルグレンズアンテナシステムを用いた実地測定を実施し、性能を検証すること。
• 理論的モデルと実測データを比較することで、異なる伝搬条件下での実環境におけるカバレッジおよび容量の評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 200mを超える高高度プラットフォームは、農村ネットワークカバレッジを5倍に拡大できるか？
• RQ2 1基のサイトから36セクタにわたる高密度周波数再利用は、農村地域の高容量需要をどの程度満たせるか？
• RQ3 異なるアンテナ技術（ルネブルグレンズ、フェーズドアレイ、空間多重）は、農村展開におけるSINR、カバレッジ範囲、容量にどのように影響を与えるか？
• RQ4 SuperCellは、実際の農村環境、特に荒廃地帯および森林地帯でも効果的に機能するか？
• RQ5 グリーンフィールドとブラウンフィールドの両展開において、SuperCellの導入にあたって得られる主な教訓は何か？

主な発見

• 200メートルを超える高高度プラットフォームは、従来の展開と比較してカバレッジ範囲を5倍に拡大できることが確認された。
• 最大36の方位セクタにわたる高密度周波数再利用により、1基の基地局からも高容量サービスが可能となり、スルーレット効率が顕著に向上した。
• ニューメキシコ州の農村地域における実地試験では、ルネブルグレンズアンテナシステムが開けた荒廃地帯でも効果的な広域カバレッジを実現した。
• ミシシッピ州の森林地帯における実地試験では、ルネブルグレンズシステムが強い信号整合性と良好なカバレッジを維持し、厳しい伝搬条件下でも性能が妥当であることが実証された。
• 空間多重ソリューションは、実地測定および3次元レイトラスティングシミュレーションを通じて実証され、高容量農村ネットワークに実現可能であることが確認された。
• 本研究は、グリーンフィールドおよびブラウンフィールド両展開に向けた実用的知見を提供しており、インfra構築要件の違いや性能のトレードオフに関する洞察が得られた。