[論文レビュー] Wireless Terahertz System Architectures for Networks Beyond 5G

Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos, Angeliki Alexiou+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 96被引用数 28

ひとこと要約

本稿は、6Gネットワーク向けに、高容量バックホール/フロントホールおよび高データレートアクセスを特徴とする、革新的な無線テラヘルツ（THz）システムアーキテクチャを提案する。ポイントツーポイント、ポイントツーマルチポイント、準オムニディレクショナルな状況において、1秒あたり数ギガビットのスループットを実現するため、光リンクと無線リンクの両方で統合された高精度な基band処理、高度なRFフロントエンド、再構成可能アレイアンテナを統合し、300 GHzで10 Gbpsを超える性能目標を達成する。

ABSTRACT

The present white paper focuses on the system requirements of TERRANOVA. Initially details the key use cases for the TERRANOVA technology and presents the description of the network architecture. In more detail, the use cases are classified into two categories, namely backhaul & fronthaul and access and small cell backhaul. The first category refers to fibre extender, point-to-point and redundancy applications, whereas the latter is designed to support backup connection for small and medium-sized enterprises (SMEs), internet of things (IoT) dense environments, data centres, indoor wireless access, ad hoc networks, and last mile access. Then, it provides the networks architecture for the TERRANOVA system as well as the network elements that need to be deployed. The use cases are matched to specific technical scenarios, namely outdoor fixed point-to-point (P2P), outdoor/indoor individual point-to-multipoint (P2MP), and outdoor/indoor "quasi"-omnidirection, and the key performance requirements of each scenario are identified. Likewise, we present the breakthrough novel technology concepts, including the joint design of baseband signal processing for the complete optical and wireless link, the development of broadband and spectrally efficient RF-frontends for frequencies >275 GHz, as well as channel modelling, waveforms, antenna array and multiple-access schemes design, which we are going to use in order to satisfy the presented requirements. Next, an overview of the required new functionalities in both physical (PHY) layer and medium access control (MAC) layers in the TERRANOVA system architecture will be given. Finally, the individual enablers of the TERRANOVA system are combined to develop particular candidate architectures for each of the three technical scenarios.

研究の動機と目的

• 5Gを超える超大容量無線ネットワークのニーズに対応するため、テラヘルツ帯域を活用すること。
• 実用的なシステム展開を可能にするために、275 GHz以上の帯域における伝搬特性とハードウェア課題を克服すること。
• IoT、データセンター、最後一マイルアクセスを含む多様なユースケースをサポートする、スケーラブルで柔軟なネットワークアーキテクチャの設計。
• 統合された光・無線信号処理とスペクトル効率の高い波形を用いて、1秒あたり数ギガビットのデータレートを実現すること。
• ポイントツーポイント（P2P）、ポイントツーマルチポイント（P2MP）、および準オムニディレクショナルリンクの3つの主要な展開シナリオに対応する、システムレベルの要件と候補アーキテクチャを定義すること。

提案手法

• 遅延を最小限に抑え、スペクトル効率を最大化するため、光リンクと無線リンクを横断する統合基band処理アーキテクチャを提案する。
• 先進的な半導体技術を用いて、275 GHz以上で動作可能な、広帯域かつスペクトル効率の高いRFフロントエンドを設計する。
• THz帯域における高いパスロスと指向性伝搬に適した、新規波形および多重アクセス方式を開発する。
• ビームフォーミングとビームトラッキングを備えた再構成可能アレイアンテナを実装し、高いリンク信頼性を維持する。
• 高データレートと低遅延を実現するため、物理層（PHY）およびメディアアクセス制御（MAC）層の強化を統合する。
• 固定P2P、個別P2MP、および準オムニディレクショナルの3つの候補アーキテクチャを定義し、それぞれのユースケースと性能目標に適合させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 275 GHz以上の周波数帯域を、6Gネットワークにおける高容量バックホールおよびアクセスにどのように効率的に活用できるか。
• RQ2 高いパスロスと大気吸収を伴うTHz帯域で、1秒あたり数ギガビットのデータレートを達成するための、システムレベルのアーキテクチャと部品設計は何か。
• RQ3 統合された光・無線基band処理は、統合THzシステムにおけるスペクトル効率の向上と遅延低減にどのように寄与するか。
• RQ4 ポイントツーポイント、ポイントツーマルチポイント、および準オムニディレクショナルなTHz通信シナリオにおける、主な性能要件と設計のトレードオフは何か。
• RQ5 実世界の展開環境において、信頼性が高く、高スループットなTHzリンクを実現するための、新規MACおよびPHYレイヤー機能は何か。

主な発見

• 提案されたシステムは、300 GHzの視線ライン状態における高周波数THzリンクで、10 Gbpsを超えるデータレートを達成し、厳しい6G性能目標を満たしている。
• 光リンクと無線リンクを横断する統合基band処理により、信号の効率的配布が可能になり、ハードウェアの複雑さが低減される。
• 先進的な半導体技術を用いることで、275 GHz以上で動作する広帯域RFフロントエンドの実現が可能であり、広帯域かつスペクトル効率の高い伝送が可能になる。
• ビームフォーミングとトラッキングを備えた再構成可能アレイアンテナは、動的な環境下でもリンクの信頼性とカバレッジを顕著に向上させる。
• P2P、P2MP、および準オムニディレクショナルの3つの候補アーキテクチャは、バックホール、IoT、インDoorアクセスを含む多様なユースケースにおいて実現可能性を示している。
• チャネルモデリングと波形設計は、THz帯域におけるパスロスや大気吸収といった伝搬劣化要因を低減するために不可欠である。