[論文レビュー] On the 5G Wireless Communications at the Low Terahertz Band

Türker Yilmaz, Özgür B. Akan|arXiv (Cornell University)|May 9, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 29被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、急増するデータレートおよびネットワーク容量の要請を満たすために、5G無線通信における低帯域ミリ波（THz）帯域—具体的には300 GHz付近—の利用を提案する。広域電波伝搬モデルの統合的定式化、室温下でのTHzデバイス技術のサーベイ、および実用的チャネルモデリング、複数アクセス方式、高速・低遅延リンクにおけるベースバンド信号処理といった、ピークデータレートが10 Gb/sを超える高レート通信を実現するための主要な研究課題を同定する。

ABSTRACT

Initiation of fourth generation (4G) mobile telecommunication system rollouts fires the starting pistol for beyond 4G research activities. Whereas technologies enhancing spectral efficiency have traditionally been the solution to data rate and network capacity increase demands, due to the already advanced techniques, returns of the even more complicated algorithms hardly worth the complexity increase any longer. In addition, surging number of connected devices now enables operative use of short-range communication methods. Also considering the recently approved standards for the 60 gigahertz (GHz) industrial, scientific and medical radio band, in this paper the transmission windows around 300 GHz is proposed to be utilized for the fifth generation wireless communication systems. Motivations for the low end of the terahertz (THz) band are provided in accordance with market trends, and standardization activities in higher frequencies are listed. Unified mathematical expressions of the electromagnetic wave propagation mechanisms in the low-THz band are presented. THz band device technologies are outlined and a complete survey of the state-of-the-art low-THz band circuit blocks which are suitable for mass market production is given. Future research directions are specified before the conclusion of the paper.

研究の動機と目的

• スペクトル効率の向上を超えて、5G無線通信における増大するデータレートおよびネットワーク容量の要請に対応する。
• 300 GHz付近の低THz帯域を、マルチギガビットレートをサポートする新たなスペクトルリソースとして利用可能かどうかを検討する。
• 現在の4Gおよび高度化された4Gシステムが、スペクトル効率の飽和状態に近づき、わずかな利得を得るために複雑性が著しく上昇しているという制限を克服する。
• サブTHz周波数帯における高帯域幅・短距離通信を活用して、将来の5Gシステムが10 Gb/sのピークデータレート要件を満たせるようにする。
• 低THz無線システムの実世界での展開を可能にするために、重要な未解決研究課題を同定し、それらに対処する。

提案手法

• 低THz帯域における電磁波伝搬メカニズムを統合的数学的表現で定式化し、経路損失、大気吸収、マルチパス効果を考慮する。
• CMOS互換性があり量産可能な回路ブロックに注目した、最新の室温下THzデバイス技術（送受信機（TRX）、発振器、ミキサー、低雑音増幅器）のサーベイを実施する。
• IEEE 802.11adおよびECMA-387といった既存の規格を分析し、性能ベンチマークを提供し、将来の低THzシステム設計に活用する。
• 40/100 Gb/sなどの高レートを効率的に処理するため、ハイブリッドおよびデジタルベースバンド信号処理アーキテクチャを提案し、消費電力と複雑性を低減する。
• リンクバジェットの向上とTHz帯域における経路損失および遮断の低減を図るため、ビームフォーミングおよびマスティブMIMOを含む高度な多重アンテナシステムを調査する。
• 高容量・短距離の低THzリンクを支援するため、小セルの密度化およびWDM-PONバックホールといったネットワークアーキテクチャの選択肢を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 300 GHz付近の低THz帯域は、マルチギガビットレートを達成するための実用的スペクトルリソースとして5G無線システムに適しているか？
• RQ2 屋内および屋外環境における低THz帯域の支配的伝搬特性および経路損失モデル（大気効果を含む）は何か？
• RQ3 40–100 Gb/sのデータレートを低消費電力および面積オーバーヘッドでサポートするため、ベースバンド信号処理およびミックスドシグナル変復信機アーキテクチャはどのように設計すべきか？
• RQ4 特に高信頼性・低遅延を要する高密度・短距離ネットワークにおいて、低THz帯域に適した複数アクセス技術は何か？
• RQ5 マスティブMIMOおよびビームフォーミング技術は、経路損失および遮断を克服しつつ、エネルギー効率を維持する形で低THz通信にどのように適応できるか？

主な発見

• 300 GHz帯には、十分な未使用帯域（例：802.11adでは9 GHz）を有する送信窓口が存在し、OFDMおよび16-QAMを用いることでピークデータレートが6.75 Gb/sに達する可能性がある。
• 低THz帯域の実用的チャネルモデリングはまだ十分に開発されておらず、唯一の候補モデルしか同定されていないことから、大きな研究ギャップが存在する。
• CMOSベースのTHz送受信機は、1.9 × 2.2 mm²のチップ面積および380 mWの消費電力で実証済みであり、大衆市場への統合可能性を示している。
• 低THz帯域における複数アクセス方式は、さらなる調査が必要であり、特に高レート・高密度ネットワークにおける干渉低減の観点から重要である。
• ビームフォーミングおよびフェーズドアレイアンテナは、リンクバジェットの向上および遮断の克服に不可欠であり、視線（LoS）および非視線（NLoS）状況の両方で特に重要である。
• 40–100 Gb/sリンクにおけるベースバンド処理は、純粋なデジタルドメインでは依然として大きな課題であるが、ミックスドシグナルおよび並列処理アーキテクチャは有望な代替手段である。