[논문 리뷰] Channel Modeling and Performance Analysis of Airplane-Satellite Terahertz Band Communications

Joonas Kokkoniemi, Josep Miquel Jornet외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 29.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비행기-위성 테라헤르츠(THz) 통신을 위한 세부적인 채널 모델을 제안하며, 평탄하지 않은 지구 기하학과 주파수 선택적 THz 전파를 고려한다. 고이득 안테나를 사용할 경우 공중의 THz 링크는 장거리 비행 중 모든 승객에게 셀룰러 수준의 연결성을 제공하는 최대 120 Gbit/s의 대역폭을 달성할 수 있음을 입증한다. 특히 고고도 위성 링크를 통해 이뤄진다.

ABSTRACT

Wireless connectivity in airplanes is becoming more important, demanded, and common. One of the largest bottlenecks with the in-flight Internet is that the airplane is far away from both the satellites and the ground base stations during most of the flight time. Maintaining a reliable and high-rate wireless connection with the airplane over such a long-range link thus becomes a challenge. Microwave frequencies allow for long link distances but lack the data rate to serve up to several hundreds of potential onboard customers. Higher bands in the millimeter-wave spectrum (30 GHz-300 GHz) have, therefore, been utilized to overcome the bandwidth limitations. Still, the per-user throughput with state-of-the-art millimeter-wave systems is an order of magnitude lower than the one available with terrestrial wireless networks. In this paper, we take a step further and study the channel characteristics for the terahertz band (THz, 0.3 THz-10 THz) in order to map the feasibility of this band for aviation. We first propose a detailed channel model for aerial THz communications taking into account both the non-flat Earth geometry and the main features of the frequency-selective THz channel. We then apply this model to estimate the characteristics of aerial THz links in different conditions. We finally determine the altitudes where the use of airplane-to-satellite THz connection becomes preferable over the airplane-to-ground THz link. Our results reveal that the capacity of the airborne THz link may reach up to 120 Gbit/s, thus enabling cellular-equivalent data rates to the passengers and staff during the entire flight.

연구 동기 및 목표

• 장거리, 고손실 링크로 인해 발생하는 기내 고속 인터넷 연결의 핵심적 제약 요인을 해결하기 위해.
• 마이크로파 및 밀리미터파 시스템의 한계를 극복하고, 고용량 공중 통신을 위해 테라헤르츠(0.3–10 THz) 대역의 이용 가능성에 대해 조사하기 위해.
• 비평탄한 지구 기하학, 대기 흡수, 그리고 THz 대역에서의 주파수 선택성까지 고려한 종합적인 채널 모델을 개발하기 위해.
• 비행기-위성(A2S) 및 비행기-지상(A2G) THz 링크의 성능을 비교하고 각각의 최적 고도를 규명하기 위해.
• 실제 하드웨어 및 전파 조건(안테나 이득, 잡음 계수 포함) 하에서 THz 링크의 실용적 대역폭과 신호 품질을 규명하기 위해.

제안 방법

• 장거리에서의 분자 흡수, 대기 감쇠, 기하학적 확산을 고려한 세부적인 자유공간 경로 손실 모델을 개발하였다.
• 고고도 항공기와 위성 또는 지상국 사이의 장거리 링크를 정확히 표현하기 위해 비평탄한 지구 효과를 경로 손실 모델에 통합하였다.
• THz 파동의 고유한 전파 특성(고경로 손실 및 대기 흡수 피크 포함)을 반영한 주파수 선택적 채널 모델을 적용하였다.
• 실제 시스템 파rameter를 사용: 송신 전력 1 mW, 대역폭 5 GHz, 잡음 계수 10 dB, 항공기 및 위성에 각각 0.5 m/1 m 접시 안테나.
• 이론적 링크 예산과 변조 제약(예: 10⁻⁶ BEP 목표에서의 16-QAM 및 BPSK)을 사용하여 신호 대 잡음비(SNR) 및 스펙트럼 효율을 계산하였다.
• 다양한 고도(0–15 km)와 주파수(0.3–10 THz)에서 성능을 평가하였으며, 다양한 대기 조건 하에서 A2S(Low Earth Orbit 및 Geosynchronous Orbit) 및 A2G 링크를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 고도와 주파수에서 비행기-위성 THz 링크의 경로 손실과 실현 가능한 대역폭은 무엇인가?
• RQ2 비평탄한 지구 기하학은 장거리 공중 통신에서 THz 신호 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 경로 손실과 SNR 측면에서 A2S 링크가 A2G 링크를 능가하는 고도는 어느 정도인가?
• RQ4 대기 흡수와 하드웨어 제약으로 인해 공중 환경에서 THz 통신의 실용적 한계는 무엇인가?
• RQ5 고이득 안테나가 THz 대역의 극심한 경로 손실을 상쇄하여 상업적 기내 고속 인터넷을 위한 실현 가능한 데이터 전송 속도를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• LEO 위성(500 km 고도)에서 A2S 링크는 0.3 THz에서 최소 220 dB의 경로 손실을 기록하며, 대기 흡수가 낮아지기 시작하는 교차 고도에서 A2G보다 우월한 성능을 보인다.
• 중간 고도에서 A2S 링크의 THz 대역폭은 20~60 Gbps 범위이며, 항공기와 지상국 사이의 링크 조건이 최적일 경우 최대 120 Gbit/s에 이를 수 있다.
• 고고도(10 km 이상)에서는 대기 흡수가 크게 감소하여 경로 손실이 줄어들고 SNR가 향상되며, 특히 0.3–3 THz 범위에서 두드러진다.
• 주파수 증가에 따라 더 큰 야휴 안테나로 인한 효과적 안테나 이득 증가로 인해 SNR가 증가하여, 10⁻⁶ BEP 목표에서 고차원 변조(예: 16-QAM)가 가능해진다.
• 항공기와 위성에 각각 0.5 m, 1 m 접시 안테나를 사용함으로써 효과적 야휴 면적 이득이 크게 향상되어 경로 손실을 완화하고 실현 가능한 SNR 수준을 확보할 수 있었다.
• 극심한 경로 손실에도 불구하고 결과는 THz 통신이 장거리 공중-위성 링크에 대해 실현 가능하다는 것을 확인하였으며, 특히 대기 감쇠가 최소화되는 위성 기반 환경에서 더욱 유리하다.