[논문 리뷰] Wireless Terahertz System Architectures for Networks Beyond 5G

Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos, Angeliki Alexiou외 16명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 29.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 96인용 수 28

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크를 위한 고용량 백홀/프론트홀 및 고속 데이터 전송을 위한 새로운 무선 테라헤르츠(THz) 시스템 아키텍처를 제안한다. 밀도 높은 환경에서 다이렉트 포인트 투 포인트, 포인트 투 멀티포인트, 준광역 방향성 시나리오에서 각각 기가비트/초 이상의 전송 속도를 실현하기 위해 고급 RF 프론트엔드, 재구성 가능한 안테나, 광선과 무선 링크 간 통합 베이스밴드 처리를 통합한다. 300 GHz에서 10 Gbps 이상의 성능 목표를 초과하는 성능을 달성한다.

ABSTRACT

The present white paper focuses on the system requirements of TERRANOVA. Initially details the key use cases for the TERRANOVA technology and presents the description of the network architecture. In more detail, the use cases are classified into two categories, namely backhaul & fronthaul and access and small cell backhaul. The first category refers to fibre extender, point-to-point and redundancy applications, whereas the latter is designed to support backup connection for small and medium-sized enterprises (SMEs), internet of things (IoT) dense environments, data centres, indoor wireless access, ad hoc networks, and last mile access. Then, it provides the networks architecture for the TERRANOVA system as well as the network elements that need to be deployed. The use cases are matched to specific technical scenarios, namely outdoor fixed point-to-point (P2P), outdoor/indoor individual point-to-multipoint (P2MP), and outdoor/indoor "quasi"-omnidirection, and the key performance requirements of each scenario are identified. Likewise, we present the breakthrough novel technology concepts, including the joint design of baseband signal processing for the complete optical and wireless link, the development of broadband and spectrally efficient RF-frontends for frequencies >275 GHz, as well as channel modelling, waveforms, antenna array and multiple-access schemes design, which we are going to use in order to satisfy the presented requirements. Next, an overview of the required new functionalities in both physical (PHY) layer and medium access control (MAC) layers in the TERRANOVA system architecture will be given. Finally, the individual enablers of the TERRANOVA system are combined to develop particular candidate architectures for each of the three technical scenarios.

연구 동기 및 목표

• 5G를 초월한 초고용량 무선 네트워크의 필요성을 충족하기 위해 테라헤르츠 대역을 활용한다.
• 실제 시스템 구현을 위해 275 GHz 이상 대역에서의 전파 및 하드웨어 과제를 극복한다.
• IoT, 데이터센터, 최종 마일 액세스를 포함한 다양한 용도를 지원하는 확장성 있고 유연한 네트워크 아키텍처를 설계한다.
• 통합 광-무선 신호 처리 및 스펙트럼 효율적인 웨이브폼을 통해 기가비트/초 이상의 데이터 전송 속도를 실현한다.
• 3가지 주요 구현 시나리오인 P2P, P2MP, 준광역 방향성 링크에 대응하는 시스템 수준의 요구사항과 후보 아키텍처를 정의한다.

제안 방법

• 지연을 최소화하고 스펙트럼 효율을 극대화하기 위해 광선과 무선 링크를 아우르는 통합 베이스밴드 신호 처리 아키텍처를 제안한다.
• 고급 반도체 기술을 활용해 275 GHz 이상에서 작동 가능한 넓은 대역폭과 스펙트럼 효율성을 갖춘 고도로 발전된 RF 프론트엔드를 설계한다.
• 테라헤르츠 대역에서의 고경로 손실과 방향성 전파 특성에 맞게 최적화된 새로운 웨이브폼과 다중접근 기법을 개발한다.
• 빔포밍과 빔 추적 기능을 갖춘 재구성 가능한 안테나 어레이를 구현하여 고도의 링크 신뢰성을 확보한다.
• 고속 데이터 전송과 저지연을 지원하기 위해 물리계층(PHY)과 중계접근제어(MAC) 계층의 개선 사항을 통합한다.
• 고정식 P2P, 개별 P2MP, 준광역 방향성의 3가지 후보 시스템 아키텍처를 정의하여 특정 용도와 성능 목표에 부합하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 300 GHz 이상의 테라헤르츠 주파수는 6G 네트워크에서 고용량 백홀 및 액세스를 위해 어떻게 효율적으로 활용될 수 있는가?
• RQ2 고경로 손실과 대기 흡수로 인해 어려움을 겪는 테라헤르츠 대역에서 기가비트/초 이상의 데이터 전송 속도를 달성하기 위해 필요한 시스템 수준의 아키텍처와 구성 요소 설계는 무엇인가?
• RQ3 통합 광-무선 베이스밴드 처리가 통합 테라헤르츠 시스템에서 스펙트럼 효율을 향상시키고 지연을 감소시키는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 포인트 투 포인트, 포인트 투 멀티포인트, 준광역 방향성 테라헤르츠 통신 시나리오에서의 핵심 성능 요구사항과 설계 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ5 실제 구현 환경에서 신뢰성 있고 고속 전송이 가능한 테라헤르츠 링크를 지원하기 위해 필요한 새로운 MAC 및 PHY 계층 기능은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 300 GHz에서 시각선 간선의 고주파수 테라헤르츠 링크에서 10 Gbps를 초과하는 데이터 전송 속도를 달성하여 엄격한 6G 성능 목표를 충족한다.
• 광선과 무선 영역을 아우르는 통합 베이스밴드 처리 기술은 효율적인 신호 분배를 가능하게 하며 하드웨어 복잡도를 감소시킨다.
• 고급 반도체 기술을 활용하면 275 GHz 이상에서 작동하는 넓은 대역폭 RF 프론트엔드가 실현 가능하여 광대역 스펙트럼 효율적인 전송이 가능하다.
• 빔포밍과 빔 추적 기능을 갖춘 재구성 가능한 안테나 어레이가 동적인 환경에서 링크 신뢰성과 커버리지 향상에 크게 기여한다.
• P2P, P2MP, 준광역 방향성의 3가지 후보 아키텍처는 백홀, IoT, 실내 액세스를 포함한 다양한 용도에 대해 실현 가능성을 입증한다.
• 채널 모델링과 웨이브폼 설계는 테라헤르츠 대역에서의 경로 손실 및 대기 흡수와 같은 전파 손상 요인을 완화하는 데 핵심적이다.