[논문 리뷰] Antenna Array Enabled Space/Air/Ground Communications and Networking for 6G

Zhenyu Xiao, Zhu Han외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Antenna Design and Optimization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고도 높은 파장, 디지털 어레이, 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)와 같은 안테나 어레이를 공간/공중/지상(SAG) 통신에 통합하기 위한 통합 프레임워크를 제안하여 6G 네트워크의 고대역폭, 광역 커버리지 및 저지연을 실현한다. 하이브리드 및 수동 beamforming과 같은 고도의 beamforming 기술을 활용함으로써, 위성, 공중 및 지상 플랫폼 전반에서 스펙트럼 효율성, 간섭 관리 및 시스템의 강건성 향상이 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

Antenna arrays have a long history of more than 100 years and have evolved closely with the development of electronic and information technologies, playing an indispensable role in wireless communications and radar. With the rapid development of electronic and information technologies, the demand for all-time, all-domain, and full-space network services has exploded, and new communication requirements have been put forward on various space/air/ground platforms. To meet the ever increasing requirements of the future sixth generation (6G) wireless communications, such as high capacity, wide coverage, low latency, and strong robustness, it is promising to employ different types of antenna arrays with various beamforming technologies in space/air/ground communication networks, bringing in advantages such as considerable antenna gains, multiplexing gains, and diversity gains. However, enabling antenna array for space/air/ground communication networks poses specific, distinctive and tricky challenges, which has aroused extensive research attention. This paper aims to overview the field of antenna array enabled space/air/ground communications and networking. The technical potentials and challenges of antenna array enabled space/air/ground communications and networking are presented first. Subsequently, the antenna array structures and designs are discussed. We then discuss various emerging technologies facilitated by antenna arrays to meet the new communication requirements of space/air/ground communication systems. Enabled by these emerging technologies, the distinct characteristics, challenges, and solutions for space communications, airborne communications, and ground communications are reviewed. Finally, we present promising directions for future research in antenna array enabled space/air/ground communications and networking.

연구 동기 및 목표

• 6G 요구사항에 의해 이끌리는 항상, 전 영역 및 전 공간 네트워크 서비스 수요 증가에 대응한다.
• 이질적인 SAG 네트워크에서 안테나 어레이를 구현하는 데 있어 기술적 과제, 즉 빔포밍 복잡성과 하드웨어 비용을 해결한다.
• 위성, 고고도 플랫폼(HAPs) 및 지상 네트워크를 통합된 SAGIN(Space/Air/Ground Integrated Network) 아키텍처로 통합한다.
• 스펙트럼 효율성과 커버리지 향상을 위해 재구성 가능한 지능형 표면(RIS), 매크로 MIMO 및 하이브리드 빔포밍과 같은 핵심 기술을 특정한다.
• 미래의 SAG 통신을 위한 종합적인 연구 로드맵을 제공한다.

제안 방법

• SAG 플랫폼에 적합한지 여부를 분석하기 위해 진동수 어레이, 디지털 어레이 및 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 포함한 안테나 어레이 유형을 분류하고 분석한다.
• 디지털, 아날로그, 하이브리드 및 수동 빔포밍을 포함한 빔포밍 기술을 조사하여 하드웨어 복잡성, 스펙트럼 효율성 및 빔 유연성 간의 상충 관계를 규명한다.
• 스펙트럼 및 전력 제약 조건 하에서 최대 전송률을 달성하기 위해 위성 시스템의 다중 스포트 비트 배치 문제를 비볼록 0-1 최적화 문제로 모델링한다.
• 공간, 공중 및 지상 노드 간의 스펙트럼, 전력 및 자원 할당을 조율하는 SAGIN을 위한 통합 시스템 설계를 제안한다.
• 마이크로파형 MIMO 및 V2X 환경에서의 CSI 추정, 파ilot 훈련, 간섭 관리 및 빔 추적과 같은 실용적 과제를 다룬다.
• 고속 이동 차량 및 공중 네트워크에서의 동적 핸드오버 및 라우팅 최적화를 위한 기계학습의 잠재적 해결책을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 안테나 어레이를 공간, 공중 및 지상 플랫폼 전반에 효과적으로 구현하여 6G 요구사항인 고대역폭, 광역 커버리지 및 저지연을 달성할 수 있는가?
• RQ2 위성, 공중 및 지상 통신 시스템에서의 빔포밍 설계에 있어 핵심적인 차이점과 과제는 무엇인가?
• RQ3 스펙트럼 부족 조건 하에서 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 디지털 빔포밍 위성 시스템의 다중 스포트 비트 배치를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 재구성 가능한 지능형 표면(RIS) 및 메타표면은 SAG 네트워크에서 용량과 커버리지 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 통합된 SAGIN 아키텍처는 이질적인 플랫폼 간의 동적 사용자 이동성, 간섭 및 자원 할당을 어떻게 관리할 수 있는가?

주요 결과

• 안테나 어레이는 6G SAG 네트워크에서 배열 이득, 다중화 이득 및 다양성 이득을 통해 시스템 성능을 크게 향상시킨다.
• 하이브리드 빔포밍과 RIS 기반 수동 빔포밍은 대규모 MIMO 시스템에서 스펙트럼 효율성과 하드웨어 비용 간의 유리한 트레이드오���을 제공한다.
• 위성 시스템의 다중 스포트 비트 배치는 스펙트럼 및 전력 제약 조건 하에서 전송률 극대화를 목표로 비볼록 0-1 최적화 문제로 모델링된다.
• 마이크로파형 MIMO 시스템에서의 CSI 추정 및 파ilot 훈련과 같은 실용적 과제는 오버헤드 및 지연을 줄이기 위해 저복잡도 설계가 필요하다.
• 밀도 높은 도시 환경 및 고속 이동성 V2X 환경에서 간섭 관리 및 빔 추적은 매우 중요하며, 기계학습은 동적 핸드오버 최적화에 있어 잠재적인 해결책을 제공한다.
• 공간, 공중 및 지상 네트워크를 통합된 SAGIN 아키텍처로 통합하는 것은 6G에서 원활하고 실시간이며 강건한 글로벌 연결성을 달성하기 위해 필수적이다.