[論文レビュー] THz Precoding for 6G: Applications, Challenges, Solutions, and Opportunities

Jingbo Tan, Linglong Dai|arXiv (Cornell University)|May 21, 2020

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 13被引用数 22

ひとこと要約

本稿は、6Gネットワークにおけるテラヘルツ（THz）波成形技術を調査し、深刻な経路損失、ビーム分裂効果、高消費電力といった課題に取り組む。アナログビームフォーミング、ハイブリッド成形、遅延位相成形を比較し、遅延位相成形がユーザー数が少ない場合に最高のエネルギー効率を達成することを示している。また、再構成可能インテリジェント表面（RIS）は、THzシステムにおける遮蔽問題の緩和に有望な解決策を提供する。

ABSTRACT

Benefiting from the ultra-wide bandwidth, terahertz (THz) communication is becoming a promising technology for future 6G networks. For THz communication, precoding is an essential technique to overcome the severe path loss of THz signals in order to support the desired coverage. In this article, we systematically investigate the dominant THz precoding techniques for future 6G networks, with the highlight on its key challenges and opportunities. Specifically, we first illustrate three typical THz application scenarios including indoor, mobile, and satellite communications. Then, the major differences between millimeter-wave and THz channels are explicitly clarified, based on which we reveal the key challenges of THz precoding, such as the distance-dependent path loss, the beam split effect, and the high power consumption. To address these challenges, three representative THz precoding techniques, i.e., analog beamforming, hybrid precoding, and delay-phase precoding, are extensively investigated in terms of their different structures, designs, most recent results, pros and cons. We also provide simulation results of spectrum and energy efficiencies to compare these typical THz precoding schemes to draw some insights for their applications in future 6G networks. Finally, several important open issues and the potential research opportunities, such as the use of reconfigurable intelligent surface (RIS) to solve the THz blockage problem, are pointed out and discussed.

研究の動機と目的

• mmWaveとTHzチャネルの違いに起因するTHz成形における主な課題を特定・分析すること。
• 構造、設計、性能、消費電力効率の観点から、アナログビームフォーミング、ハイブリッド成形、遅延位相成形という3つの代表的なTHz成形技術を評価・比較すること。
• スペクトル効率およびエネルギー効率のシミュレーション結果を提示し、将来の6Gネットワークにおける実用的導入を支援すること。
• 遮蔽、ハードウェアの制限、ユーザーの移動、スニッフィング効果（scintillation）といった未解決の研究課題を強調すること。
• 特に、信号遮蔽の克服と消費電力の低減を目的とした再構成可能インテリジェント表面（RIS）の活用という新たな機会を検討すること。

提案手法

• 本稿は、完全アナログビームフォーミング、ハイブリッドアナログ・デジタル成形、および時間遅延（遅延位相成形）を用いたデジタルビームフォーミングという3つのTHz成形アーキテクチャを比較する。
• 距離依存の経路損失、ビーム分裂効果、高消費電力がTHzシステム性能に与える影響を分析する。
• システムレベルのシミュレーションを実施し、ユーザー数の変動に応じた3つの成形方式におけるスペクトル効率およびエネルギー効率を評価する。
• 屋内、移動体、衛星THz通信シナリオにおける現実的なチャネルモデルを統合する。
• LoS遮蔽問題の解決策として、RIS支援THz成形を提案し、受動的ビームフォーミングにより非視線（NLoS）リンクを実現する。
• 位相ノイズ、I/Q不整合、パワー増幅器の非線形性といったハードウェア制限がシステム性能に与える影響について議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 THzチャネルの伝搬特性はmmWaveチャネルとどのように異なるのか。また、これらの差異が成形に新たな課題をもたらすのか。
• RQ2 アナログビームフォーミング、ハイブリッド成形、遅延位相成形の3つのTHz成形方式において、スペクトル効率と消費電力効率のトレードオフはどのように異なるのか。
• RQ3 ユーザー数の増加が、特にビーム分裂効果が顕著な状況下での、さまざまなTHz成形技術のエネルギー効率に与える影響はどの程度か。
• RQ4 再構成可能インテリジェント表面（RIS）は、THz通信における遮蔽問題をどの程度緩和でき、システムの信頼性を向上させられるのか。
• RQ5 ハードウェア制限、ユーザーの移動、スニッフィング効果（scintillation）といった環境的要因を含めた、THz成形における主な未解決課題は何か。

主な発見

• ユーザー数が4人以下の場合、遅延位相成形が最も高いエネルギー効率を達成する。これは、ビーム分裂効果の低減とハードウェアの複雑さの低減によるものである。
• ハイブリッド成形は、スペクトル効率と消費電力の両面でバランスの取れた妥協を提供するため、マルチユーザー環境に適している。
• アナログビームフォーミングは、シンプルで低複雑性であるが、単一ストリーム伝送に限定され、ビームスイング効果とビーム分裂効果に苦しむ。
• ビーム分裂効果は、広帯域THzシステムにおいて性能劣化を引き起こすが、遅延位相成形は位相シフターの代わりに時間遅延を用いることで、これを効果的に緩和する。
• RIS支援THz成形は、LoS遮蔽の問題解決に強く有望であり、非視線環境でも信頼性の高い通信を可能にする。
• 大気乱流に起因するスニッフィング効果はTHz信号の品質を著しく劣化させるが、現在のモデリングおよび緩和手法に関する研究は限定的であり、重要な研究ギャップが存在する。