[논문 리뷰] THz Precoding for 6G: Applications, Challenges, Solutions, and Opportunities

Jingbo Tan, Linglong Dai|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 21.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 13인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크를 위한 테라헤르츠(THz) 프리코딩 기법을 조사하며, 심한 경로 손실, 빔 분열 효과, 높은 전력 소모와 같은 과제를 다룹니다. 아날로그 빔포밍, 하이브리드 프리코딩, 지연-위상 프리코딩을 비교하여, 지연-위상 프리코딩이 더 적은 사용자 수에서 가장 높은 에너지 효율성을 달성하는 것을 보여주며, 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이 THz 시스템에서 차단 문제를 완화하는 데 유망한 해결책을 제공함을 제시합니다.

ABSTRACT

Benefiting from the ultra-wide bandwidth, terahertz (THz) communication is becoming a promising technology for future 6G networks. For THz communication, precoding is an essential technique to overcome the severe path loss of THz signals in order to support the desired coverage. In this article, we systematically investigate the dominant THz precoding techniques for future 6G networks, with the highlight on its key challenges and opportunities. Specifically, we first illustrate three typical THz application scenarios including indoor, mobile, and satellite communications. Then, the major differences between millimeter-wave and THz channels are explicitly clarified, based on which we reveal the key challenges of THz precoding, such as the distance-dependent path loss, the beam split effect, and the high power consumption. To address these challenges, three representative THz precoding techniques, i.e., analog beamforming, hybrid precoding, and delay-phase precoding, are extensively investigated in terms of their different structures, designs, most recent results, pros and cons. We also provide simulation results of spectrum and energy efficiencies to compare these typical THz precoding schemes to draw some insights for their applications in future 6G networks. Finally, several important open issues and the potential research opportunities, such as the use of reconfigurable intelligent surface (RIS) to solve the THz blockage problem, are pointed out and discussed.

연구 동기 및 목표

• mmWave와 THz 채널 간의 차이에서 비롯된 THz 프리코딩의 핵심 과제를 특정하고 분석하기.
• 아날로그 빔포밍, 하이브리드 프리코딩, 지연-위상 프리코딩이라는 세 가지 주요 THz 프리코딩 기법의 구조, 설계, 성능 및 전력 효율성에 기반해 평가하고 비교하기.
• 향후 6G 네트워크의 실용적 구현을 안내하기 위해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성의 시뮬레이션 결과 제공하기.
• 차단, 하드웨어 손상, 사용자 이동성, 광량 변동 효과 등 열린 연구 과제들을 부각하기.
• 특히 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)을 활용한 신규 기회 탐색을 통해 신호 차단 문제를 해결하고 전력 소모를 줄이기

제안 방법

• 논문은 세 가지 THz 프리코딩 아키텍처를 비교한다: 완전한 아날로그 빔포밍, 하이브리드 아날로그-디지털 프리코딩, 시간 지연을 사용한 디지털 빔포밍(지연-위상 프리코딩).
• 거리에 따른 경로 손실, 빔 분열 효과, 높은 전력 소모가 THz 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 다양한 사용자 수를 고려해 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 평가하기 위해 시스템 수준의 시뮬레이션을 수행한다.
• 실제 채널 모델을 도입하여 실내, 이동 중, 위성 THz 통신 시나리오를 고려한다.
• LoS 차단 문제 해결을 위한 RIS-보조 THz 프리코딩을 제안하며, 수동 빔포밍을 통해 비선시각 통신 링크를 가능하게 한다.
• 위상 노이즈, I/Q 불균형, 전력 증폭기 비선형성과 같은 하드웨어 손상과 그 시스템 성능에 미치는 영향을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 THz 채널의 전파 특성은 mmWave 채널과 어떻게 다를지, 이러한 차이가 프리코딩에 새로운 과제를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 THz 시스템에서 아날로그 빔포밍, 하이브리드 프리코딩, 지연-위상 프리코딩 간의 성능 및 전력 효율성 간 상호 보완적 특성은 무엇인가?
• RQ3 사용자 수가 빔 분열 효과가 존재하는 상황에서 다양한 THz 프리코딩 기법의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 재구성 가능한 지능형 표면(RIS)이 얼마나 효과적으로 THz 통신에서 차단 문제를 완화하고 시스템 신뢰성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 하드웨어 손상, 사용자 이동성, 대기 흐림 등 환경적 영향(예: 광량 변동)을 포함한 THz 프리코딩의 주요 열린 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 사용자 수가 네 명 이하일 경우 지연-위상 프리코딩이 빔 분열 효과 감소와 하드웨어 복잡도 저하로 인해 가장 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 하이브리드 프리코딩은 스펙트럼 효율성과 전력 소모 사이의 균형 잡힌 상호 보완적 특성을 제공하여 다중 사용자 환경에 적합하다.
• 아날로그 빔포밍은 단순하고 저복잡도이지만 단일 스트림 전송에 국한되며, 빔 스퀴트와 빔 분열 효과로 인해 제한된다.
• 빔 분열 효과는 와이드밴드 THz 시스템에서 성능 저하를 유도하며, 지연-위상 프리코딩은 위상 시프터 대신 시간 지연을 사용함으로써 이를 효과적으로 완화한다.
• RIS-보조 THz 프리코딩은 LoS 차단 문제 해결에 강력한 잠재력을 보이며, 비선시각 환경에서도 신뢰할 수 있는 통신을 가능하게 한다.
• 대기 난류로 인한 광량 변동 효과는 THz 신호 품질을 심각하게 악화시키며, 현재까지의 모델링 및 완화 기법 연구는 제한되어 있어 중요한 연구 격차가 있음.