[論文レビュー] Terahertz Communications (TeraCom): Challenges and Impact on 6G Wireless Systems

Chong Han, Yongzhi Wu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 12被引用数 100

ひとこと要約

本論文はテラヘルツ帯の利点と課題をレビューし、デバイス技術の進展を調査し、6G における THz 通信の影響を概説する。これには UM-MIMO、ビームフォーミング、MAC、ルーティング、そして THz メッシュネットワークが含まれる。

ABSTRACT

Terahertz communications are envisioned as a key technology for 6G, which requires 100+ Gbps data rates, 1-millisecond latency, among other performance metrics. As a fundamental wireless infrastructure, the THz communication can boost abundant promising applications, including next-generation WLAN systems like Tera-WiFi, THz wireless backhaul, as well as other long-awaited novel communication paradigms. Serving as a basis of efficient wireless communication and networking design, this paper highlights the key THz channel features and recent advancements in device technologies. In light of these, impact and guidelines on 6G wireless communication and networking are elaborated. We believe the progress of THz technologies is helping finally close the so called THz Gap, and will realize THz communications as a pillar of 6G wireless systems.

研究の動機と目的

• Tbps規模のデータレートと超低遅延を実現する主要な推進力として THz 通信を 6G のキー・イネーブラーとして動機づける。
• THz チャネルの特性とそれらが 6G システム設計にもたらす影響を要約する。
• THz トランシーバ、アンテナ、RIS の進展を調査し、THz ギャップを埋める。
• UM-MIMO、変調、MAC、ルーティング、メッシュネットワークを含む 6G ネットワーキングのガイドラインを提供する。

提案手法

• THz チャネル特性をマイクロ波およびフォトニック通信（FSO）と比較し、長所と制約を浮き彫りにする（表 I）。
• THz トランシーバ、アンテナ、ナノアンテナのハードウェア性能とデバイス技術をレビューする（表 II）。
• 伝搬を制御し、直射成分（LoS）の問題を克服する手段としての THz RIS を検討する。
• THz UM-MIMO、変調/符号化、MAC、メッシュネットワーキングのためのクロスレイヤ設計の検討を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THz チャネルの基本的な伝搬特性は何であり、それが 6G 設計にどのような影響を与えるか？
• RQ2 実用的な THz トランシーバとアンテナを可能にするハードウェア技術は何であり、それらのトレードオフは何か？
• RQ3 UM-MIMO、変調、MAC、ルーティングを THz 帯に適応させて 6G の要件を満たすにはどうすればよいか？
• RQ4 RIS およびメッシュネットワークが THz のカバレッジと信頼性を拡大する上でどのような役割を果たすことができるか？

主な発見

• THz は広い帯域と Tbps級リンクの可能性を提供する一方、拡散損失と大気損失が大きく、スペクトルの窓と距離の制限を生む。
• 超多数の MIMO（最大 1024x1024）と鋭いビーム、ハイブリッドビームフォーミングの構成は、スパースな THz チャンネルで空間多重を可能にする。
• THz デバイスには電子/光子トランシーバとグラフェンベースのナノアンテナが含まれ、送信機電力、受信機感度、データレート能力はさままである。
• RISとメタ表面は THz の伝搬を能動的に操り、障害物を克服してカバレッジとセキュリティを向上させることができる。
• THzメッシュネットワークは MAC、PHY、ルーティングのクロスレイヤ最適化を必要とし、周波数-距離選択的資源割り当てによる性能向上をシミュレーションが示している。