Facebook揭示了“ SuperCell”塔以增强农村地区的连通性

作为我们致力于在全球范围内扩展连通性的努力的一部分，Facebook Connectivity一直在对SuperCell进行原型设计，SuperCell是一种广域覆盖解决方案，用于提高农村社区的移动连通性。现在，在与电信行业合作伙伴合作进行了几次试验和数据分析之后，我们准备分享我们所学到的知识。

我们希望我们自己的测试和分析结果能够为电信行业提供一本实用手册，以将该技术推向市场，并以可持续且具有成本效益的方式帮助扩大农村地区的移动覆盖范围，而不是自己生产此解决方案。

在世界许多农村地区，移动是互联网连接的唯一选择。但是，许多农村社区仍然缺乏移动互联网访问权限，因为传统上用于向城市地区提供移动连接的宏小区技术在经济上对中低收入国家的偏远社区而言并不可行。 SuperCell旨在成为传统宏蜂窝站点的一种经济高效，可靠的替代方案，并能更好地满足农村地区对连通性的需求。

根据GSMA的数据，全球有6亿人居住在移动宽带网络覆盖的区域之外。这种覆盖差距特别集中在农村和偏远地区，例如撒哈拉以南非洲，该地区是世界67％未发现人口的家园。虽然在线人数逐年增加，但生活在中低收入国家/地区的人只有约40％与互联网相连，而收入较高的国家/地区则接近75％。如果目前的趋势继续下去，GSMA估计，到2025年，中低收入国家/地区的人口仍将超过40％。

在缩小覆盖范围方面，移动网络运营商（MNO）面临许多挑战。农村地区通常会产生较低的平均每用户收入（ARPU），从而降低了获利动机。它们的人口密度也较低，地势崎,，缺乏具有成本效益的回程和电网电源，因此很难在这些地区扩展移动覆盖范围。

SuperCell是一种大面积覆盖解决方案，它利用高达250米高的信号塔和高增益，窄扇区天线来增加移动数据覆盖范围和容量。

我们的现场测量发现，安装在250米高塔上的36个扇区的SuperCell基站可以提供的地理覆盖范围是同一地形中30米塔上标准三扇区农村宏基站的65倍。在对尼日利亚未发现地区的分析中，我们使用可公开获得的人口密度数据以及Facebook Connectivity高级网络规划工具的见解，我们确定单个SuperCell可以取代15到25个传统的宏蜂窝或数百个小型蜂窝，以覆盖人数相同；而且与宏蜂窝网络相比，超级蜂窝网络的部署总拥有成本（TCO）降低了33％以上。

考虑到撒哈拉以南非洲的覆盖范围，地形和基础设施需求，我们认为这是SuperCell潜力巨大的地区。

我们不认为有连接世界的灵丹妙药。电信行业已经开发了几种创新技术和商业模式来解决农村地区的覆盖率差距。这些范围从可以提供覆盖的廉价小型蜂窝解决方案到具有卫星回程的小规模定居点（半径为0.5到1公里）；使用系留浮空器的大面积覆盖蜂窝解决方案；和使用平流层气球的大面积覆盖解决方案。也有一些旨在使农村回程更具成本效益的技术，包括无执照频段中的模块化微波回程解决方案，提供普遍覆盖的低地球轨道（LEO）卫星星座以及中地球轨道（MEO）星座。

下表简要概述了包括SuperCell在内的各种解决方案的优缺点。

SuperCell的覆盖范围优势基于塔楼更高的高度和使用高增益天线。在传播物理学文献中已经研究了几种传播模型，但是根据经验，基站高度加倍会产生6 dB的传播优势。因此，从30米高的塔架到240米高的塔架，其传播优势约为18 dB。

在全球范围内，诸如2G，3G和LTE之类的蜂窝频谱频带往往在600 MHz至2.7 GHz范围内。宏小区部署中使用的典型基站天线在2500 MHz频段的增益为18 dBi。 SuperCell使用的天线在同一频带内可提供高达29 dBi的方向性增益。通过将两者结合起来，我们获得了29 dB的总传播优势（高度优势为18 dB，天线方向性增益为11 dB）。注意，对于上行链路和下行链路，两个传播优势（塔高和天线增益）都对称地保持。假设路径损耗指数为4，SuperCell的29 dB传播优势将转化为〜5.3倍的范围优势。

SuperCell经济价值主张的很大一部分在于量化和表征这种传播。 Facebook Connectivity团队和我们的合作伙伴使用位于美国农村地区的广播塔（包括Quad City，伊利诺伊州，梅特卡夫，佐治亚州和肯塔基州的Frenchburg）进行了传播测量。四城市的地理位置相对平坦，耕地覆盖了整个土地。梅特卡夫（Metcalf）地区地势平坦，落叶乔木覆盖该土地。弗兰克堡（Frenchburg）地处崎，的山区，耕地覆盖整个土地。

我们将发射机放置在广播塔上几个不同的高度上，进行了单独的路测测试。使用路测测量，我们建立了不同发射器高度的传播路径损耗模型。然后，将这些经过实验调整的传播路径损耗模型与根据经验收集的多扇区天线方向图结合起来。下面显示的结果证明了SuperCell在平坦地形区域中的覆盖范围优于标准宏小区。

SuperCell的覆盖优势意味着它将覆盖更多的人，这反过来又意味着SuperCell基站服务的容量必须相应地扩展。可用频谱通常受到限制，因此，更高的容量必须来自于提高的区域频谱效率。 SuperCell采用高阶扇区化（HOS），跨扇区的频率复用为1来解决此问题。但是，使用HOS扩展容量的主要挑战之一是扇区间干扰，这可能导致容量缩放不随扇区数线性变化。这可能是由于：

扇形天线方向图重叠：任何物理天线设计都将具有旁瓣，这些旁瓣会干扰相邻扇区（可以在部署规划期间解决此干扰效应）。

多径散射：站点周围的混乱会导致下行链路和上行链路信号的多径散射。这种散射具有在角域中扩展基站天线上接收的信号的效果。这称为角度扩展。

我们假设典型的裸露农村地区为单层农村建筑，平均建筑杂波高度小于10米。作为在德克萨斯州阿马里洛的测试的一部分，我们在300米高的广播塔上以各种高度安装了定向碟形天线接收器。我们的团队使用获得专利的技术，通过实验确定了角展宽与基站天线高度（最大250米，范围最大20公里）的关系。

作为此测试的一部分，我们使用了可用的建筑物杂波信息，对阿马里洛测试地点周围的农村社区进行了广泛的光线追踪模拟。该测试表明，建筑物杂波的平均高度与SuperCell基站的高度之间的较大差异导致较低的角度扩展。这继而实现了较低的扇区间干扰以及相对于扇区数更好的容量缩放。

在Quad City，Metcalf和Amarillo进行的实验提供了SuperCell在传统宏蜂窝解决方案的覆盖范围和容量方面的优势的证据。

一旦我们的团队通过实验验证了SuperCell的覆盖范围和频谱效率优势，我们便着手使用远程LTE波形，扇区间切换性能及其在某些常见应用（例如视频流，视频和语音通话）中的性能来验证SuperCell的吞吐量性能。

我们的团队在新墨西哥州Truth或Consequences附近的农村地区，使用12扇区天线系统（方位角超过120度）进行了端到端SuperCell LTE测试。 SuperCell基站安装在一座11米高的塔楼上，山顶俯瞰山谷。基站天线与用户设备之间的垂直距离范围从150米到335米，这取决于用户设备在路测路线上的位置。测试地点的岩石沙漠地形几乎没有树叶，并且使用LTE频段41（2,500 MHz）进行了测试。

测试表明，SuperCell可以在38公里范围内促进双向语音和视频聊天。它还向三星S7用户设备（UE）展示了6 Mbps（第50个百分点）和7.8 Mbps（第90个百分点）的下行链路吞吐量，以及1 Mbps（第50个百分点）和1.2 Mbps（第90个百分点）的上行链路吞吐量。射程40公里在测试期间，跨部门UE切换也可以无缝进行。

我们与美国铁塔公司（ATC）和C Spire合作进行了这些试验。新墨西哥州的试验是在TD-LTE频段进行的，但是非洲的许多MNO在FDD频段使用LTE。对于新墨西哥州的试验，SuperCell基站安装在俯瞰山谷的山顶上的一座小塔上。这个想法是模仿一个高塔，因此人们对在高塔上安装大型SuperCell基站的后勤工作还没有完全了解。我们在密西西比州哥伦比亚西南约三英里的密西西比州马里恩县，沿着珠江西岸的福克斯沃思的非法人社区进行了另一项试验，以解决这些残留风险。

Foxworth试验的一个重要目标是发展对SuperCell与宏小区之间小区间干扰的实验理解。我们在SuperCell基站的近场（4公里），中场（10公里）和远场（16公里）范围内设置了轻型卡车（COLT）宏小区。

下图显示了将宏单元COLT放在近场位置后的详细驱动测试结果。测试得出的结论是，在近场中，SuperCell可以很好地服务于近场宏小区周围的区域，并且在部署SuperCell时可以停用宏小区。在中场，SuperCell可以与宏小区共存并在相同频谱上运行。由于频谱复用，SuperCell有效地在中场宏小区周围提供了额外的容量。

在远场中，SuperCell在远场宏小区周围的区域产生干扰，但是SuperCell信号的支配力不足以使连接到宏小区的用户设备成功切换到SuperCell。这导致远场宏小区周围区域的性能下降。在这种情况下，最好的方法可能是在干扰超级小区扇区和远场宏小区之间分配可用频谱。

在中场和远场都进行了类似的测试，可在我们的详细技术出版物中找到。

除了使用SuperCell概念进行技术测试外，Facebook Connectivity团队还进行了一些详细的经济分析。

如前所述，我们使用公开的人口密度数据以及Facebook Connectivity高级网络规划工具的洞察力，分析了SuperCell在尼日利亚未发现地区的潜力。为了进行此分析，我们选择了超级小区和宏小区（位于30米高的塔上的传统三扇区基站）的最佳位置，以覆盖该地区未覆盖的服务质量相似的人群，并检查了如果82个超级小区被覆盖，覆盖范围将是什么样子放置在该区域中。

使用内部收益率（IRR）估算潜在投资的获利能力的财务比较显示，此模拟中的82个SuperCell中有76个的IRR高于同等的宏小区网络。分析表明，在尼日利亚现有的高层塔楼上安装SuperCell可以为该地区多达1,680万未发现的人群提供服务-使该商业模式对MNO和塔楼公司均有利可图。

在进一步的经济分析中，Facebook与MNO合作，比较了喀麦隆四个州（东喀麦隆，阿达玛瓦，北喀麦隆和极北）未发现地区的RAN网站解决方案。

在此分析中，使用从喀麦隆运营站点收集的数据，对照由MNO合作伙伴构建的路径损耗模型对Facebook构建的SuperCell路径损耗模型进行了校准。 MNO合作伙伴提供了技术经济投入，例如CapEx，OpEx，ARPU，采用率和每位用户的平均使用量。该分析是使用Facebook Connectivity的高级网络计划工具和MNO合作伙伴的计划工具独立进行的。

我们的技术经济分析比较了仅使用上述四个小区站点配置构建的四个不同的同构网络计划。下图显示了根据每个计划的净现值（NPV），新地点的数量和覆盖的增量人口得出的分析结果。

与阿达玛瓦州和东喀麦隆州的其他替代产品相比，SuperCell140和SuperCell180提供了更好的NPV。对于喀麦隆北部和极北地区，宏蜂窝提供了更好的NPV，但SuperCell140紧随其后。

实际上，最佳网络计划将是上面列出的四个小区站点配置的异构组合。未来的工作将对此进行进一步探讨。

现在我们已经完成了合作伙伴的测试和试验并证明了SuperCell的有效性，我们已经准备好将其传递给更广泛的电信行业，并且我们希望其他合作伙伴能够加入SuperCell技术并使之商业化。

此外，电信基础设施项目（TIP）最近创建了用于验证端到端开放网络解决方案的解决方案组，其中包括专注于网络即服务（NaaS）解决方案的子组。 Facebook Connectivity将向该小组提供SuperCell技术试验数据和商业模型信息，这些信息可用于解决农村和城市周边地区缺乏高速互联网访问的问题。

尽管连通性差距正在缩小，但全世界对连通性的需求正在加速增长。如果不采取更多措施来扩大全球连接，随着获得工作，教育和医疗保健等服务越来越依赖互联网连接，整个社区将有被进一步抛在后面的风险。

SuperCell可以为MNO和TowerCo提供经济高效的解决方案，为农村社区提供高速，可靠的连接，并弥补其他解决方案尚未填补的覆盖空白。借助SuperCell之类的技术，服务提供商可以帮助确保在互联的未来中不会留下任何人。