[논문 리뷰] Scoring the Terabit/s Goal:Broadband Connectivity in 6G

Nandana Rajatheva, Italo Atzeni외 27명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 17.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 294인용 수 102

한 줄 요약

본 논문은 6G가 스펙트럼, 인프라, 프로토콜 엔에이블러를 결합하여 Tbps 대역폭을 달성하는 방법을 조사하고, KPI 목표 및 사용 사례 동인을 지지하는 수치적 인사이트를 논의한다.

ABSTRACT

This paper explores the road to vastly improving the broadband connectivity in future 6G wireless systems. Different categories of use cases are considered, with peak data rates up to 1 Tbps. Several categories of enablers at the infrastructure, spectrum, and protocol/algorithmic levels are required to realize the intended broadband connectivity goals in 6G. At the infrastructure level, we consider ultra-massive MIMO technology (possibly implemented using holographic radio), intelligent reflecting surfaces, user-centric cell-free networking, integrated access and backhaul, and integrated space and terrestrial networks. At the spectrum level, the network must seamlessly utilize sub-6 GHz bands for coverage and spatial multiplexing of many devices, while higher bands will be mainly used for pushing the peak rates of point-to-point links. Finally, at the protocol/algorithmic level, the enablers include improved coding, modulation, and waveforms to achieve lower latency, higher reliability, and reduced complexity.

연구 동기 및 목표

• 1 Tbps까지의 6G 광대역 연결성에 대한 비전 제시 및 정의를 동기 부여한다.
• 스펙트럼, 인프라, 프로토콜 계층 전반에 걸친 엔에이블링 기술을 식별한다.
• 대역폭 Tbps 목표를 뒷받침하기 위한 방정식과 수치 결과로 기술적 깊이를 제공한다.
• KPI 목표 및 사용 사례 중심의 성능 요구사항을 논의한다.
• 보편적 광대역 접근성을 위한 커버리지 및 사회적 고려사항을 강조한다.

제안 방법

• 엔에이블링 기술을 스펙트럼, 인프라, 프로토콜/알고리즘 수준으로 분류한다.
• THz, IRS, MIMO 및 ML 기반 접근법에 대한 방정식과 수치 결과를 포함한 심층 논의를 제시한다.
• 5G와 6G KPI를 비교하고 Tbps 규모의 목표를 추정한다(표 및 그림).
• 극단적 백홀 및 셀프리 네트워크 분석을 통한 배치 고려사항을 설명한다.
• 제시된 개념의 타당성을 검증하기 위한 시나리오 기반 수치 예제를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6G에서 Tbps 대역폭에 도달하려면 어떤 기술과 아키텍처가 필요한가?
• RQ2 스펙트럼, 인프라, 프로토콜 엔에이블러가 6G 대역폭 목표를 달성하기 위해 어떻게 상호작용하는가?
• RQ3 Tbps 연결성을 정당화하는 KPI 목표와 사용 사례는 무엇이며, 그것들이 얼마나 실행 가능한가?
• RQ4 6G 광대역에서 커버리지, 지연, 신뢰성, 에너지 효율을 어떻게 균형 있게 달성할 수 있는가?

주요 결과

지표(KPI)	5G	6G
최대 데이터 속도	20 Gb/s	1 Tb/s
체감 데이터 속도	0.1 Gb/s	1 Gb/s
피크 스펙트럴 효율	30 b/s/Hz	60 b/s/Hz
체감 스펙트럴 효율	0.3 b/s/Hz	3 b/s/Hz
최대 대역폭	1 GHz	100 GHz
면적당 트래픽 용량	10 Mb/s/m^2	1 Gb/s/m^2
연결 밀도	10^6 devices/km^2	10^7 devices/km^2
에너지 효율	Not specified	1 Tb/J
지연	1 ms	100 μs
신뢰성	1-1e-5	1-1e-9
지터	Not specified	1 μs
이동성	500 km/h	1000 km/h

• 6G는 최대 데이터 속도 1 Tbps까지, 사용자가 체감하는 속도는 위치의 약 95%에서 약 1 Gb/s에 달하는 것을 목표로 한다.
• 피크 스펙트럴 효율은 60 bps/Hz에 도달할 수 있고, 체감 효율 목표는 약 3 bps/Hz이다.
• Tbps 링크를 지원하기 위해 THz, sub-THz 및 VL 대역에서 최대 100 GHz 이상 대역폭이 상정된다.
• 엔에이블러로는 울트라-m 대규모 MIMO, 홀로그램 무선, IRS, 셀 프리 네트워크 및 사용자 중심 네트워크, 통합 에지 접근/백홀 등이 포함된다.
• 지연 및 복잡성을 줄이기 위한 새로운 코딩, 변조, 웨이브폼 및 ML 기반 데이터 처리와 같은 프로토콜 진전이 포함된다.
• Table II는 5G vs 6G KPI 증가를 정량화하여 Tbps 규모의 목표와 관련 성능 향상을 보여준다.