[論文レビュー] White Paper on Broadband Connectivity in 6G

Nandana Rajatheva, Italo Atzeni+23 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 95被引用数 291

ひとこと要約

本ホワイトペーパーは、Tbps規模のピーク速率と超信頼性低遅延通信を実現するためのインフラ、スペクトラム、プロトコル導入要因を詳述し、宇宙ネットワークとの統合とホログラフィック無線の概念を含む、ブロードバンド6G接続への道のりを概観します。

ABSTRACT

This white paper explores the road to implementing broadband connectivity in future 6G wireless systems. Different categories of use cases are considered, from extreme capacity with peak data rates up to 1 Tbps, to raising the typical data rates by orders-of-magnitude, to support broadband connectivity at railway speeds up to 1000 km/h. To achieve these goals, not only the terrestrial networks will be evolved but they will also be integrated with satellite networks, all facilitating autonomous systems and various interconnected structures. We believe that several categories of enablers at the infrastructure, spectrum, and protocol/ algorithmic levels are required to realize the intended broadband connectivity goals in 6G. At the infrastructure level, we consider ultra-massive MIMO technology (possibly implemented using holographic radio), intelligent reflecting surfaces, user-centric and scalable cell-free networking, integrated access and backhaul, and integrated space and terrestrial networks. At the spectrum level, the network must seamlessly utilize sub-6 GHz bands for coverage and spatial multiplexing of many devices, while higher bands will be used for pushing the peak rates of point-to-point links. The latter path will lead to THz communications complemented by visible light communications in specific scenarios. At the protocol/algorithmic level, the enablers include improved coding, modulation, and waveforms to achieve lower latencies, higher reliability, and reduced complexity. Different options will be needed to optimally support different use cases. The resource efficiency can be further improved by using various combinations of full-duplex radios, interference management based on rate-splitting, machine-learning-based optimization, coded caching, and broadcasting.

研究の動機と目的

• 次世代ワイヤレス通信の中核ドライバーとして6Gブロードバンド接続のユースケースを喚起する。
• Tbpsピークレートと全球カバレッジを達成するために必要なインフラ、スペクトラム、プロトコル/アルゴリズムの導入要因を特定する。
• 超大規模MIMO、知能反射面、統合宇宙地上ネットワーク、および高度なコーディング/波形を組み合わせた多層アプローチを提案する。
• sub-6 GHzからTHzおよび可視光帯にわたるKPI目標とスペクトラム戦略を強調する。

提案手法

• 3レベル（インフラ、スペクトラム、プロトコル/アルゴリズム開発）にわたる提案された6Gブロードバンド導入要因の調査。
• Tbpsスケールのブロードバンド接続に向けた設計選択を動機づけるためのユースケースとKPIの分析。
• 連続開口部を持つ大規模MIMOと高次元空間多路復号を実現する道としてのホログラフィック無線の説明。
• 高周波数での伝搬とカバレッジを強化するためのIRSと統合ネットワークの評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6Gブロードバンド接続を実現するために、インフラ、スペクトラム、プロトコルレベルで必要な導入技術は何か？
• RQ2 6Gは超低遅延・極めて高い信頼性・広域カバレッジを確保しつつ、どのようにTbpsピーク速度を達成できるか？
• RQ3 超大規模MIMO、ホログラフィック無線、知能反射面が6Gの性能向上においてどの役割を果たすか？
• RQ4 宇宙地上統合とエッジコンピューティングは、多様な環境での6Gブロードバンドユースケースをどのように支援するか？
• RQ5 sub-6 GHzからTHzおよび光学帯にかけたスペクトラム戦略は、6Gブロードバンドの目標を最もよく支援するのはどのようなものか？

主な発見

• 6Gブロードバンドは1 Tbpsまでのピークレートを目指し、ユーザー体感レートは約1 Gbps、遅延は一部のユースケースで0.1 msまで低減。
• インフラ（ultra-maste MIMO、ホログラフィック無線、IRS、統合アクセス/バックホール、宇宙地上ネットワーク）、スペクトル（sub-6からTHzおよびVLC）、およびプロトコル/アルゴリズムの進歩（コーディング、変調、波形、デュプレックス、MLベースの最適化）を組み合わせたマルチレイヤー導入要因アプローチが必要。
• 超高密度で協調的なネットワーク（セルフリー、エッジコンピューティング）と統合された宇宙/地上システムは、完全なカバレッジを達成するための中心となる。
• ホログラフィック無線と連続開口アクティブアンテナは、特に高周波数で、ビームスペースアプローチよりはるかに高い空間多路化を可能にする。
• 知能反射面は、パッシブビームフォーミング効果を提供し、高帯域での伝搬課題を緩和しネットワーク最適化を支援する。
• ML支援の最適化、コーデッドキャッシング、レートスプリッティングは、効率と適応性のための主要なプロトコルレベルツールとして強調されている。