[논문 리뷰] TeraHertz Band Communication: An Old Problem Revisited and Research Directions for the Next Decade

Ian F. Akyildiz, Chong Han외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 25.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 6G 및 그 이상의 무선 시스템의 핵심 요소로 테라헤르츠(THz) 대역 통신을 재검토하며, 10년간의 연구 진전을 종합하고 열린 과제를 규명한다. 장치, 전파 모델링, 신호 처리, 네트워킹, 실험 테스트베드, 표준화를 포함하는 종합적인 로드맵을 제안하며, 주요 기여는 향후 고용량, 저지연, 통합 센싱 및 통신 네트워크의 기둥으로서의 통합된 시각을 제공하는 것이다.

ABSTRACT

Terahertz (THz) band communications are envisioned as a key technology for 6G and Beyond. As a fundamental wireless infrastructure, THz communication can boost abundant promising applications. In 2014, our team published two comprehensive roadmaps for the development and progress of THz communication networks [1], [2], which helped the research community to start research on this subject afterwards. The topic of THz communications became very important and appealing to the research community due to 6G wireless systems design and development in recent years. Many papers are getting published covering different aspects of wireless systems using the THz band. With this paper, our aim is looking back to the last decade and revisiting the old problems and pointing out what has been achieved in the research community so far. Furthermore, in this paper, open challenges and new research directions still to be investigated for the THz band communication systems are presented, by covering diverse topics ranging from devices, channel behavior, communication and networking, to physical testbeds and demonstration systems. The key aspects presented in this paper will enable THz communications as a pillar of 6G and Beyond wireless systems in the next decade.

연구 동기 및 목표

• 지난 10년간 테라헤르츠(THz) 대역 통신 분야의 최신 기술 수준을 평가하고 잔류 연구 격차를 규명하기 위해.
• THz 시스템에서 거리 제한, 전파 손상, 하드웨어 제약과 같은 근본적인 과제를 재평가하기 위해.
• 6G 및 그 이상을 위한 신규 연구 방향, 즉 THz 장치 설계, 채널 모델링, 신호 처리 및 네트워크 아키텍처에 대해 제안하기 위해.
• 테라와이파이, 테라IoT, 통합 센싱 및 통신(ISAC), 나노스케일 네트워크와 같은 신규 응용 분야에서의 THz 통신의 역할을 부각하기 위해.
• 확장 가능한 THz 시스템 구현을 위해 표준화 및 스펙트럼 규제 협력 노력의 필요성을 주장하기 위해.

제안 방법

• 2014년부터 2023년까지의 THz 통신 연구에 대한 종합적 서베이를 수행하여 장치 개발, 채널 측정 및 시스템 수준 시뮬레이션의 결과를 통합한다.
• 140 GHz, 220 GHz, 300 GHz에서의 30개 이상의 THz 테스트베드 및 현장 측정 결과를 분석하여 전파 및 채널 모델링에 기초 자료를 제공한다.
• 실내, 실외, 체내 등 다양한 환경에서 THz 파동의 고유한 특성을 반영할 수 있도록 하이브리드 결정론적-통계적 채널 모델링 접근법을 제안한다.
• 재구성 가능한 지능형 표 superf Olympian(RIS)과 초대규모 MIMO(UM-MIMO)를 THz 네트워크 아키텍처에 통합하여 빔포밍 및 커버리지 향상에 기여한다.
• 밀리미터 수준의 정밀 위치 측정 및 AR/VR 응용 분야에 적합한 THz 기반 ISAC(통합 센싱 및 통신)의 실현 가능성 평가를 수행한다.
• 현재의 표준화 현황을 분석하며, IEEE 802.15.3d, ITU-R 100 GHz 이상의 IMT, 향후 THz 대역 할당을 위한 3GPP/ITU의 신규 노력 등을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지난 10년간의 급격한 진전에도 불구하고, THz 장치 및 회로 설계에서 여전히 남아 있는 주요 기술적 장벽은 무엇인가?
• RQ2 THz 파동의 전파 특성은 다양한 환경에서 어떻게 달라지며, 100 GHz 이상의 주파수에서 그 행동을 가장 잘 기술하는 모델은 무엇인가?
• RQ3 THz 대역에서 심각한 경로 손실과 짧은 통신 거리 문제를 해결하기 위해 필요한 새로운 신호 처리 및 다중접근 기법은 무엇인가?
• RQ4 빔포밍 및 좁은 빔을 특징으로 하는 시스템에서, 이동성, 멀티홉 라우팅, 간섭 관리 문제를 효율적으로 지원하기 위해 THz 네트워크는 어떻게 설계되어야 하는가?
• RQ5 모바일 브로드밴드를 초월하여 나노네트워크, 센싱, 우주 통신 등에서 가장 유망한 응용 시나리오는 무엇인가?

주요 결과

• 지난 10년간의 급격한 진전 덕분에 THz 장치, 특히 고성능 장치 분야에서의 큰 발전 덕분에 기술 격차는 거의 해소된 상태이다. 이는 실용적인 송수신기 및 안테나의 실현 가능성을 높였다.
• 140 GHz, 220 GHz, 300 GHz에서의 전파 연구는 유의미한 채널 측정 자료를 제공했지만, 높은 주파수 및 비전통적 환경(예: 체내, 우주)에서는 여전히 광범위한 연구가 필요하다.
• 초대규모 MIMO와 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)의 활용은 빔포밍 THz 네트워크에서 경로 손실를 완화하고 커버리지를 연장하는 데 핵심적이다.
• 300 GHz에서의 포인트 투 포인트 표준(IEEE 802.15.3d)이 존재하지만, 6G THz 시스템을 위한 완전한 표준화는 2023년에서 2025년 사이에 시작될 것으로 예상되며, 주파수 대역이 확장되고 새로운 응용 시나리오가 추가될 것이다.
• THz 기반 통합 센싱 및 통신(ISAC)은 밀리미터 이하의 실내 정밀 위치 측정, 차량용 레이더, THz VR/AR 등 새로운 응용을 가능하게 하며, 1~3 mm 수준의 센싱 해상도를 확보할 수 있다.
• 효율적인 공존 및 장기적 계획 수립을 위해, 미국 FCC와 NTIA의 공동 이니셔티브를 포함한 협력적 스펙트럼 규제 및 정책 프레임워크가 필수적이다.