[논문 리뷰] SuperCell: A Wide-Area Coverage Solution Using High-Gain, High-Order Sectorized Antennas on Tall Towers

Pratheep Bondalapati, Abhishek Tiwari외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 높이 200m 이상인 탑에 고이득, 고차수의 섹터화된 안테나를 사용하여, 최대 36개의 방사각 섹터를 통해 조밀한 주파수 재사용을 실현함으로써 5배 넓은 커버리지와 고대역폭을 달성하는 광역 농촌 통신 커버리지 솔루션인 SuperCell을 제안한다. 이 접근법은 루네버그 렌즈, 포지션 어레이, 공간 다중화 안테나 시스템을 융합하며, 전파 모델링, 3차원 레이 트레이싱, 뉴멕시코 및 미시시피주 농촌 지역의 현장 시험을 통해 검증되었으며, 다양한 지형에서 견고한 성능을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 농촌 통신망 구축의 높은 비용과 낮은 수익률을 해결하기 위해 커버리지 효율을 향상시키기 위해.
• 농촌 지역에서 광역 커버리지와 고대역폭 연결을 동시에 제공하는 문제를 해결하기 위해.
• 확장 가능한 농촌 통신을 위해 고고도 플랫폼에 고이득, 고차수의 섹터화된 안테나를 사용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 실제 환경 조건에서 루네버그 렌즈, 포지션 어레이, 공간 다중화 안테나와 같은 다양한 안테나 기술의 성능을 검증하기 위해.
• 현장 시험을 통해 그린필드 및 브라운필드 배치 시나리오에서 SuperCell의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 200m 이상의 고도를 가진 탑에 고이득, 고차수의 섹터화된 안테나를 설치하여 커버리지 범위를 연장하기 위해.
• 단일 기지국 사이트에서 최대 36개의 방사각 섹터를 통해 조밀한 주파수 재사용을 구현하기 위해.
• 세 가지 안테나 유형(루네버그 렌즈, 능동/수동 포지션 어레이, 공간 다중화)에 대해 신호 대 간섭 + 노이즈비(SINR) 및 대역폭을 예측하기 위한 분석 모델을 사용하기 위해.
• 복잡한 환경에서의 전파 전파 및 간섭을 모델링하기 위해 3차원 레이 트레이싱 시뮬레이션을 수행하기 위해.
• 뉴멕시코(비옥하지 않은 토양)와 미시시피주(밀도 높은 숲)의 농촌 지역에서 루네버그 렌즈 안테나 시스템을 사용하여 현장 측정을 수행하여 성능을 검증하기 위해.
• 이론적 모델과 실측 데이터를 비교하여 다양한 전파 조건에서의 실제 커버리지 및 대역폭 성능을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 200m 이상의 고고도 플랫폼이 농촌 통신 커버리지 범위를 5배로 증가시킬 수 있는가?
• RQ2 단일 사이트에서 36개 섹터를 통해 조밀한 주파수 재사용을 실현할 경우, 농촌 지역의 고대역폭 수요를 얼마나 잘 충족시킬 수 있는가?
• RQ3 루네버그 렌즈, 포지션 어레이, 공간 다중화와 같은 다양한 안테나 기술이 농촌 배치에서 SINR, 커버리지 범위, 대역폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SuperCell은 빈약한 토양과 숲이 우거진 지역을 포함한 실제 농촌 환경에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 그린필드 및 브라운필드 배치에서 SuperCell을 구현할 때의 주요 교훈은 무엇인가?

주요 결과

• 200m를 초과하는 고고도 플랫폼은 기존 배치 대비 커버리지 범위를 5배로 증가시킨다.
• 최대 36개의 방사각 섹터에서의 조밀한 주파수 재사용은 단일 사이트에서 고대역폭 서비스를 가능하게 하여 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.
• 뉴멕시코 농촌 지역에서의 현장 시험은 루네버그 렌즈 안테나 시스템을 통해 개방된 비옥하지 않은 토양 환경에서 효과적인 광역 커버리지가 가능하다는 것을 입증하였다.
• 미시시피주 농촌 지역의 숲이 우거진 환경에서는 루네버그 렌즈 시스템이 강력한 신호 무결성과 커버리지 성능을 유지하여 도전적인 전파 조건에서도 성능이 검증되었다.
• 공간 다중화 솔루션은 현장 측정 및 3차원 레이 트레이싱 시뮬레이션을 통해 실험적으로 검증되었으며, 고대역폭 농촌 통신망에 대한 실현 가능성을 확인하였다.
• 본 연구는 그린필드 및 브라운필드 배치에 대한 실질적인 통찰을 제공하며, 인프라 요구사항의 차이와 성능 트레이드오프의 차이점을 부각시켰다.