[논문 리뷰] Evolution of Physical-Layer Communications Research in the Post-5G Era

Vasanthan Raghavan, Junyi Li|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 04.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 5G 및 후속 5G 시스템이 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역으로 진화함에 따라 물리계층 통신 연구가 단순화된 모델에서 종합적이고 측정 기반의 접근 방식으로 전환되어야 한다고 주장한다. 밀리미터파 대역에서 지연 스프레드 및 손 블로킹과 같은 핵심 채널 손상 요소를 정확하게 예측하지 못함에 따라 기존의 sub-6 GHz 모델이 실패함을 입증하며, 향후 고속 데이터 전송 무선 시스템을 가능하게 하기 위해 회로, 전자기학, 신호 처리 분야의 통합적 시스템 연구가 필수적임을 강조한다.

ABSTRACT

The evolving Fifth Generation New Radio (5G-NR) cellular standardization efforts at the Third Generation Partnership Project (3GPP) brings into focus a number of questions on relevant research problems in physical-layer communications for study by both academia and industry. To address this question, we show that the peak download data rates for both WiFi and cellular systems have been scaling exponentially with time over the last twenty five years. While keeping up with the historic cellular trends will be possible in the near-term with a modest bandwidth and hardware complexity expansion, even a reasonable stretching of this road-map into the far future would require significant bandwidth accretion, perhaps possible at the millimeter wave, sub-millimeter wave, or Terahertz (THz) regimes. The consequent increase in focus on systems at higher carrier frequencies necessitates a paradigm shift from the reuse of over-simplified (yet mathematically elegant) models, often inherited from sub-6 GHz systems, to a more holistic view where real measurements guide, motivate and refine the building of relevant but possibly complicated models, solution space(s), and good solutions. To motivate the need for this shift, we illustrate how the traditional abstraction fails to correctly estimate the delay spread of millimeter wave wireless channels and hand blockage losses at higher carrier frequencies. We conclude this paper with a broad set of implications for future research prospects at the physical-layer including key use-cases, possible research policy initiatives, and structural changes needed in telecommunications departments at universities.

연구 동기 및 목표

• 지난 25년간 WiFi 및 이동통신 시스템의 피크 데이터 전송률과 스펙트럼 효율성의 역사적 기하급수적 증가를 분석하기 위해.
• 미래의 데이터 전송률 스케일링 요구사항을 예측하고 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역으로의 광범위한 대역폭 확장의 필요성을 규명하기 위해.
• 높은 캐리어 주파수에서 지연 스프레드와 블로킹 손실을 정확히 예측하지 못하는 전통적인 단순화된 채널 모델의 한계를 입증하기 위해.
• 회로, 장치, 전자기학 모델링을 시스템 수준 설계와 통합하는 물리계층 연구의 범주 전환을 옹호하기 위해.
• 후속 5G 통신 분야의 통합적이고 다학제적 연구를 지원하기 위해 학계와 산업계에서의 구조적 및 정책적 개혁을 제안하기 위해.

제안 방법

• 1997년부터 2020년까지의 WiFi 및 이동통신 시스템(3GPP 및 퀄컴 데이터)에 대한 피크 데이터 전송률과 스펙트럼 효율성의 역사적 데이터를 분석한다.
• 지수적 스케일링 모델을 사용하여 향후 데이터 전송률 추세를 예측하고, 5~10년 이후의 대역폭 및 복잡성 제약 조건을 규명한다.
• 실세계 측정 자료를 통해 단순화된 모델이 밀리미터파 대역에서 지연 스프레드와 손 블로킹 영향을 포착하지 못함을 입증한다.
• 두 가지 사례 연구를 통해 sub-6 GHz 추상화 모델이 고주파수 시스템에서 부적절한 이유를 설명한다: 지연 스프레드와 블로킹 손실.
• 장치, 회로, 시스템 수준 추상화를 통합하는 종합적 연구 프레임워크를 제안하여 모델 개발 및 솔루션 공간 탐색을 안내한다.
• 시험 기반 시설 접근성과 산학 협력 등을 포함한 커리큘럼 및 정책 개혁을 제안하여 차세대 시스템 연구를 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WiFi 및 이동통신 시스템의 역사적 데이터 전송률 추세를 후속 5G 시대까지 어떻게 외삽할 수 있는가?
• RQ2 왜 기존의 물리계층 모델이 밀리미터파 및 더 높은 주파수에서 채널 행동을 정확히 표현하지 못하는가?
• RQ3 기존 5G-NR 능력 수준을 초월해 데이터 전송률을 확장하는 데 있어 핵심적인 시스템 수준 과제는 무엇인가?
• RQ4 고주파수 대역에서 장치, 회로, 전자기학 모델링을 통합하기 위해 시스템 연구는 어떻게 재구성되어야 하는가?
• RQ5 후속 5G 통신 분야의 다학제적 물리계층 연구를 지원하기 위해 필요한 정책 및 교육 개혁은 무엇인가?

주요 결과

• WiFi 및 이동통신 시스템의 피크 데이터 전송률은 지난 25년간 기하급수적으로 증가했으며, 이동통신 시스템은 WiFi에 점차 뒤처지지 않고 있다.
• 단기적 데이터 전송률 증가(앞으로 5년 이내)는 대역폭과 신호 처리 복잡성의 약간의 증가로 유지 가능하다.
• 장기적 데이터 전송률 스케일링(앞으로 10년 이내)은 밀리미터파, 마이크로밀리미터파 또는 테라헤르츠 대역으로의 대역폭 확장을 필수로 한다.
• 기존의 단순화된 모델은 밀리미터파 시스템에서 지연 스프레드와 손 블로킹 손실을 정확히 예측하지 못해 잘못된 시스템 설계 결정을 초래한다.
• 고립된 시스템 연구에서부터 회로 및 장치 수준 추상화를 포함하는 통합적이고 측정 기반의 모델링으로의 범주 전환이 필요하다.
• 미래의 물리계층 연구는 정책적 조치, 대학 커리큘럼 개혁, 고급 시험 기반 시설에의 접근을 통해 이론과 실천을 연결하는 데서 지원되어야 한다.