[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出 SuperCell，一种利用超过200米高的塔架、高增益、高阶扇区化天线的广域农村网络覆盖解决方案，通过单个基站站点实现最多36个方位扇区的密集频率复用，将覆盖范围扩展5倍并实现高容量。该方法结合了Luneburg透镜、相控阵和空间复用天线系统，通过传播建模、三维射线追踪和新墨西哥州及密西西比州农村地区的实地试验得到验证，展示了在多样化地形下的稳健性能。

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.

研究动机与目标

• 通过提升覆盖效率，解决农村网络部署成本高、投资回报率低的问题。
• 解决在农村地区同时实现广域覆盖和高容量连接的挑战。
• 探索在高海拔平台使用高增益、高阶扇区化天线实现可扩展农村连接的可行性。
• 在真实环境下验证不同天线技术——Luneburg透镜、相控阵和空间复用——的性能。
• 通过实地试验，在新建（绿地）和既有（棕地）部署场景下评估SuperCell的表现。

提出的方法

• 在超过200米高的塔架上部署高增益、高阶扇区化天线，以扩展覆盖范围。
• 在单个基站站点通过最多36个方位扇区实现密集频率复用。
• 使用解析模型预测三类天线的信号与干扰加噪声比（SINR）和容量：Luneburg透镜、有源/无源相控阵和空间复用。
• 通过三维射线追踪仿真模拟复杂环境中的信号传播和干扰。
• 在新墨西哥州（荒芜地形）和密西西比州（密集森林）的农村地区，使用Luneburg透镜天线系统进行实地测量，以验证性能。
• 将理论模型与实测数据进行对比，评估在不同传播条件下实际覆盖范围和容量表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 超过200米的高海拔平台是否能将农村网络覆盖范围扩大五倍？
• RQ2 从单个站点通过36个扇区实现密集频率复用，在多大程度上能满足农村地区的高容量需求？
• RQ3 不同天线技术——Luneburg透镜、相控阵和空间复用——在农村部署中对SINR、覆盖范围和容量有何影响？
• RQ4 SuperCell在真实农村环境（包括荒芜和森林地区）中的表现如何？
• RQ5 在农村环境中，SuperCell在绿地与棕地部署中的关键经验教训是什么？

主要发现

• 超过200米高的高海拔平台相比传统部署，可将覆盖范围扩大五倍。
• 通过单个站点在最多36个方位扇区间实现密集频率复用，可实现高容量服务，显著提升频谱效率。
• 在新墨西哥州农村地区的实地试验表明，Luneburg透镜天线系统在开阔荒芜地形中实现了有效的广域覆盖。
• 在密西西比州农村的森林环境中，Luneburg透镜系统保持了强信号完整性和覆盖性能，验证了其在复杂传播条件下的表现。
• 通过实地测量和三维射线追踪仿真，空间复用方案得到实验验证，证实其在高容量农村网络中的可行性。
• 本研究为绿地与棕地部署提供了可操作的见解，突出了基础设施需求差异和性能权衡。