[論文レビュー] Full-Spectrum Wireless Communications for 6G and Beyond: From Microwave, Millimeter-Wave, Terahertz to Lightwave

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|May 11, 2023

Advanced Photonic Communication Systems被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、6G以降の通信を想定した、電磁スペクトル全体（マイクロ波帯から光波帯まで）を統合する画期的なフレームワーク、フルスケールワイヤレスコミュニケーションズ（FSWC）を提案する。スペクトル不足を克服し、極めて高いデータレートを実現する。未利用に近いテラヘルツ帯および光帯を活用することで、高いスペクトル効率を実現する新しい通信パラダイムを可能にするが、伝搬モデル、ハードウェア設計、バンド間連携の面で課題を抱える。

ABSTRACT

As of today, 5G is rolling out across the world, but academia and industry have shifted their attention to the sixth generation (6G) cellular technology for a full-digitalized, intelligent society in 2030 and beyond. 6G demands far more bandwidth to support extreme performance, exacerbating the problem of spectrum shortage in mobile communications. In this context, this paper proposes a novel concept coined Full-Spectrum Wireless Communications (FSWC). It makes use of all communication-feasible spectral resources over the whole electromagnetic (EW) spectrum, from microwave, millimeter wave, terahertz (THz), infrared light, visible light, to ultraviolet light. FSWC not only provides sufficient bandwidth but also enables new paradigms taking advantage of peculiarities on different EW bands. This paper will define FSWC, justify its necessity for 6G, and then discuss the opportunities and challenges of exploiting THz and optical bands.

研究の動機と目的

• 5Gおよび将来の6Gネットワークにおける増大するスペクトル不足に対処するため、電磁スペクトル全体を活用すること。
• 現在の無線周波数帯の制限を克服し、テラヘルツ帯および光帯への通信拡張を実現すること。
• 異なるスペクトル帯の特徴的な伝搬および伝送特性を活用する新しい通信パラダイムを実現すること。
• マイクロ波帯、ミリ波帯、THz帯、光帯において、統一されたフレームワークを用いたスペクトル資源の割り当てと信号処理を提供すること。
• 次世代無線システムにおけるフルスケール統合の技術的およびシステムレベルの実現可能性を裏付けること。

提案手法

• 電磁スペクトル全体にわたる通信を統合する包括的フレームワーク「フルスケールワイヤレスコミュニケーションズ（FSWC）」を提唱する。
• マイクロ波帯、ミリ波帯、テラヘルツ帯、および光帯（赤外線、可視光、紫外線）を1つの整合性のある通信システムに統合する。
• 自由空間伝搬損失および大気吸収効果を含む、異なる帯域における伝搬特性とパスロスモデルを分析する。
• テラヘルツ帯および光帯の受信機・送信機設計の可能性について検討し、変調方式およびビームフォーミング技術を提示することで、ハードウェア制約に対処する。
• バンド間シグナル処理およびリソース割り当て戦略を導入し、異なる帯域間でのスムーズなハンドオーバーと多重化を実現する。
• 情報理論および信号処理の原則を用いて、全スペクトルにわたるスペクトル効率および容量の向上をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6Gの極めて高い帯域幅要件を満たすために、電磁スペクトル全体を体系的にどのように活用できるか。
• RQ2 高レート通信に活用可能な、テラヘルツ帯および光帯の特徴的な伝搬およびチャネル特性は何か。
• RQ3 テラヘルツ帯および光帯向けの受信機・送信機および波形設計における主な技術的課題は何か。
• RQ4 マイクロ波帯、ミリ波帯、THz帯、光帯間で、どのようにしてシームレスな統合と動的リソース割り当てを実現できるか。
• RQ5 従来のRFベースのシステムをはるかに超えた、フルスケールアクセスによって実現可能な新しい通信パラダイムは何か。

主な発見

• FSWCは、テラヘルツ帯および光帯に広大な帯域が存在することを活用することで、テラビット／秒のデータレートを実現可能にする。
• 本稿では、テラヘルツ帯および光帯における顕著なパスロスおよび大気吸収が、主な伝搬課題であると特定している。
• 光帯（可視光および赤外線）は高いスペクトル効率と視線伝搬の利点を有し、短距離かつ高容量リンクに適している。
• テラヘルツ帯（0.1–10 THz）は有望ではあるが、未だ十分に活用されていない分野であり、ギガビット／秒からテラビット／秒の伝送が可能であると期待されている。
• シームレスな接続性とスペクトル効率の最大化を実現するには、バンド間連携および動的スペクトル共有が不可欠である。
• 複数の帯域を統合するには、多様な周波数帯域における干渉とビームフォーミングを管理するための、新たな信号処理およびハードウェアアーキテクチャが求められる。