[논문 리뷰] Full-Spectrum Wireless Communications for 6G and Beyond: From Microwave, Millimeter-Wave, Terahertz to Lightwave

Wei Jiang, Hans D. Schotten|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 11.

Advanced Photonic Communication Systems인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 6세대 및 그 이후를 위한 혁신적인 프레임워크인 전체 스펙트럼 무선 통신(Full-Spectrum Wireless Communications, FSWC)을 소개한다. 이 프레임워크는 마이크로파에서 빛파장 대역에 이르기까지 전체 전자기 스펙트럼을 통합하여 스펙트럼 부족 문제를 해결하고 초고속 데이터 전송을 가능하게 한다. 미사용 상태인 테라헤르츠 및 광대역을 활용함으로써 FSWC는 높은 스펙트럼 효율성을 갖춘 새로운 통신 패러다임을 가능하게 하지만, 전파 모델링, 하드웨어 설계, 다중 대역 간 조율 등의 과제에 직면해 있다.

ABSTRACT

As of today, 5G is rolling out across the world, but academia and industry have shifted their attention to the sixth generation (6G) cellular technology for a full-digitalized, intelligent society in 2030 and beyond. 6G demands far more bandwidth to support extreme performance, exacerbating the problem of spectrum shortage in mobile communications. In this context, this paper proposes a novel concept coined Full-Spectrum Wireless Communications (FSWC). It makes use of all communication-feasible spectral resources over the whole electromagnetic (EW) spectrum, from microwave, millimeter wave, terahertz (THz), infrared light, visible light, to ultraviolet light. FSWC not only provides sufficient bandwidth but also enables new paradigms taking advantage of peculiarities on different EW bands. This paper will define FSWC, justify its necessity for 6G, and then discuss the opportunities and challenges of exploiting THz and optical bands.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 향후 6G 네트워크의 증가하는 스펙트럼 부족 문제를 해결하기 위해 전체 전자기 스펙트럼을 활용한다.
• 현재의 무선 주파수 대역의 한계를 극복하기 위해 통신을 테라헤르츠 및 광대역으로 확장한다.
• 다양한 스펙트럼 대역의 고유한 전파 및 전송 특성을 활용하는 새로운 통신 패러다임을 가능하게 한다.
• 마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠, 광대역에서의 다중 스펙트럼 자원 할당 및 신호 처리를 위한 통합 프레임워크를 제공한다.
• 다음 세대 무선 시스템을 위한 전체 스펙트럼 통합의 기술적 및 시스템 수준의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 전체 전자기 스펙트럼을 통합하는 통합적 프레임워크인 전체 스펙트럼 무선 통신(Full-Spectrum Wireless Communications, FSWC)을 제안한다.
• 마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠, 광대역(적외선, 가시광선, 자외선)을 하나의 유일한 일관된 통신 시스템으로 통합한다.
• 자유공간 전파 손실 및 대기 흡수 영향을 포함한 다양한 대역 간 전파 특성과 경로 손실 모델을 분석한다.
• 테라헤르츠 및 광대역을 위한 잠재적 수신기 설계를 논의함으로써 하드웨어 제약을 다스린다. 이는 변조 및 빔포밍 기법을 포함한다.
• 무선국 간의 원활한 이동 및 다중접속을 가능하게 하기 위해 다중 대역 신호 처리 및 자원 할당 전략을 도입한다.
• 정보 이론 및 신호 처리 원리를 사용하여 전체 스펙트럼에서의 스펙트럼 효율성 및 용량 향상을 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6세대의 극한 대역폭 수요를 충족시키기 위해 전체 전자기 스펙트럼을 어떻게 체계적으로 활용할 수 있는가?
• RQ2 고속 통신에 활용할 수 있는 테라헤르츠 및 광대역의 고유한 전파 및 채널 특성은 무엇인가?
• RQ3 테라헤르츠 및 광대역을 위한 수신기 및 웨이브포맷 설계에서의 주요 기술 과제는 무엇인가?
• RQ4 마이크로파, 밀리미터파, 테라헤르츠, 광대역 간에 원활한 통합 및 동적 자원 할당을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ5 기존 RF 기반 시스템을 초월한 전체 스펙트럼 접근을 통해 가능해지는 새로운 통신 패러다임은 무엇인가?

주요 결과

• FSWC는 테라헤르츠 및 광대역에서 확보 가능한 광범위한 대역폭을 활용하여 테라비트/초의 데이터 전송 속도를 가능하게 한다.
• 논문은 테라헤르츠 및 광대역에서의 심각한 경로 손실과 대기 흡수 현상이 주요 전파 과제임을 밝혀냈다.
• 광대역(가시광선 및 적외선)은 높은 스펙트럼 효율성과 시야 내 통신의 이점을 제공하여 단거리 고용량 링크에 적합하다.
• 테라헤르츠 대역(0.1–10 THz)은 다이내믹한 잠재력을 지닌 잠재적 미래 영역로, 기가비트/초에서 테라비트/초 수준의 전송 가능성이 있다.
• 무선국 간 원활한 연결성과 스펙트럼 효율 극대화를 위해 다중 대역 간 조율 및 동적 스펙트럼 공유가 필수적이다.
• 다양한 주파수 영역에서 간섭과 빔포밍을 관리하기 위해 여러 대역의 통합은 새로운 신호 처리 및 하드웨어 아키텍처가 필요하다.