[논문 리뷰] Neurosciences and 6G: Lessons from and Needs of Communicative Brains

Renan C. Moioli, Pedro H. J. Nardelli외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 04.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 166인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 신경과학과 6G 무선 통신 간의 双방향 융합을 제안하며, 초고신뢰성, 저지연, 고대역폭이 요구되는 네트워크를 필요로 하는 새로운 서비스 패러다임인 '뇌유형 통신'(BTC)을 도입한다. 6G 기반 뇌-기계 인터페이스(BMI)가 뇌로 제어하는 차량(BCV)과 같은 고도화된 응용 분야를 지원할 수 있음을 설명하며, 혼돈 기반 통신과 생체-나노-사물 인터넷(IoBNT)을 통해 뉴런 과학 연구의 새로운 길을 열어주며, 2030–2035년까지 확장 가능하고 실시간인 신경 통신 시스템의 비전을 제시한다.

ABSTRACT

This paper presents the first comprehensive tutorial on a promising research field located at the frontier of two well-established domains: Neurosciences and wireless communications, motivated by the ongoing efforts to define how the sixth generation of mobile networks (6G) will be. In particular, this tutorial first provides a novel integrative approach that bridges the gap between these two, seemingly disparate fields. Then, we present the state-of-the-art and key challenges of these two topics. In particular, we propose a novel systematization that divides the contributions into two groups, one focused on what neurosciences will offer to 6G in terms of new applications and systems architecture (Neurosciences for Wireless), and the other focused on how wireless communication theory and 6G systems can provide new ways to study the brain (Wireless for Neurosciences). For the first group, we concretely explain how current scientific understanding of the brain would enable new application for 6G within the context of a new type of service that we dub braintype communications and that has more stringent requirements than human- and machine-type communication. In this regard, we expose the key requirements of brain-type communication services and we discuss how future wireless networks can be equipped to deal with such services. Meanwhile, for the second group, we thoroughly explore modern communication system paradigms, including Internet of Bio-nano Things and chaosbased communications, in addition to highlighting how complex systems tools can help bridging 6G and neuroscience applications. Brain-controlled vehicles are then presented as our case study. All in all, this tutorial is expected to provide a largely missing articulation between these two emerging fields while delineating concrete ways to move forward in such an interdisciplinary endeavor.

연구 동기 및 목표

• 새로운 통합 프레임워크를 통해 신경과학과 6G 무선 통신을 연결하기 위해.
• 뇌 연구와 차세대 무선 네트워크 간 상호 이점들을 식별하고 체계화하기 위해.
• 기존 5G 기술 수준을 초월하는 엄격한 요구사항을 필요로 하는 새로운 서비스 클래스로 '뇌유형 통신'(BTC)을 제안하기 위해.
• 6G 기반 고밀도 BMI와 지능형 반사 표면(IRS)을 활용한 확장 가능한 뇌제어 차량(BCV)의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 6G가 2030~2035년까지 실시간 고품질 신체 경험(QoPE)을 보장하는 신경-통신 응용 분야에서 실현 가능한 미래 비전을 제시하기 위해.

제안 방법

• ‘신경과학이 무선 통신에 기여한다’(Neurosciences for Wireless)와 ‘무선 통신이 신경과학에 기여한다’(Wireless for Neurosciences)의 이중 축 프레임워크를 제안한다.
• 신경 신호 동역학에서 유도된 지연, 신뢰성, 대역폭 요구사항을 갖는 독특한 특성을 지닌 새로운 통신 패러다임으로 뇌유형 통신(BTC)을 도입한다.
• 정보 및 통신 이론을 혼돈성 및 스파iking 신경 시스템에 적용하여 BTC 웨이브폼을 모델링하고 최적화한다.
• 딥 빌리프 네트워크와 다중 클래스 분류기와 같은 고급 신호 처리 기법을 활용해 BCV용 뇌 제어 신호를 디코딩한다.
• IoBNT, 지능형 반사 표면(IRS), 확장 현실(XR)과 같은 신기술을 통합하여 환경 감지 능력과 사용자 경험을 향상시킨다.
• 특히 뇌제어 차량(BCV)을 사례로 삼아 6G와 신경과학 응용 분야 간의 상호보완적 관계를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뇌의 통신 메커니즘에서의 통찰은 차세대 6G 무선 네트워크 설계에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ2 기존 5G 기술 수준을 초월하는 뇌유형 통신(BTC)의 핵심 기술적 요구사항은 무엇인가?
• RQ3 6G 기반 뇌-기계 인터페이스(BMI)는 어떻게 확장 가능하고 실시간으로 뇌제어 차량(BCV)을 제어할 수 있는가?
• RQ4 6G 네트워크는 IoBNT나 혼돈 기반 신호 전송과 같은 새로운 통신 패러다임을 통해 어떻게 뉴런 과학 연구를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 정보 이론 도구는 생물학적으로 영감을 받은 스파이킹 신경 시스템에서 통신을 모델링하고 최적화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• BTC는 기존 5G 기술 수준을 초월하는 초고신뢰성, 저지연, 고대역폭 요구사항을 필요로 하는 새로운 고도로 요구되는 통신 서비스 클래스로 확인되었다.
• 6G 기반 고밀도 BMI와 지능형 반사 표면(IRS)이 함께 제공되지 않는 한, 뇌제어 차량(BCV)은 실현 가능하지 않다.
• IoBNT와 지능형 센서 네트워크(ISN)의 통합은 BCV의 동적 환경 샘플링과 향상된 상황 인식 능력을 가능하게 한다.
• 혼돈 기반 통신 웨이브폼과 스파이킹 시스템의 정보 이론적 분석은 BTC의 모델링 및 최적화에 유망한 길을 열어준다.
• 미래 시나리오에서 6G가 3D 홀로그램 AR, BCV를 통한 실시간 선물 배달, QoPE 보장을 포함한 복잡한 다중 모odal 응용 분야를 지원할 수 있음을 입증하였다.
• 신경과학과 6G의 융합은 확장 가능하고 실시간이며 고해상도의 뉴런 통신 시스템을 가능하게 하며, BCV를 넘어서 보다 넓은 BMI 및 IoBNT 생태계로 응용 가능성이 열린다.