[논문 리뷰] Intelligent Environments based on Ultra-Massive MIMO Platforms for Wireless Communication in Millimeter Wave and Terahertz Bands

Shuai Nie, Josep Miquel Jornet외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 16.

Antenna Design and Analysis참고 문헌 10인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서의 높은 경로 손실을 극복하기 위해 재구성 가능한 플라스모닉 안테나 어레이를 갖춘 초초대규모 MIMO(UM-MIMO) 플랫폼을 사용한 지능형 통신 환경을 제안한다. 송신기, 수신기 및 환경에서 전송, 반사 및 웨이브가이딩을 통해 전체 파장 제어가 가능해져 Tbps 수준의 데이터 전송 속도를 달성하고 수신 전력이 최대 40 dB 향상되어 통신 범위가 크게 연장된다.

ABSTRACT

Millimeter-wave (30-300 GHz) and Terahertz-band communications (0.3-10 THz) are envisioned as key wireless technologies to satisfy the demand for Terabit-per-second (Tbps) links in the 5G and beyond eras. The very large available bandwidth in this ultra-broadband frequency range comes at the cost of a very high propagation loss, which combined with the low power of mm-wave and THz-band transceivers limits the communication distance and data-rates. In this paper, the concept of intelligent communication environments enabled by Ultra-Massive MIMO platforms is proposed to increase the communication distance and data-rates at mm-wave and THz-band frequencies. An end-to-end physical model is developed by taking into account the capabilities of novel intelligent plasmonic antenna arrays which can operate in transmission, reception, reflection and waveguiding, as well as the peculiarities of the mm-wave and THz-band multi-path channel. Based on the developed model, extensive quantitative results for different scenarios are provided to illustrate the performance improvements in terms of both achievable distance and data-rate in Ultra-Massive MIMO environments.

연구 동기 및 목표

• 작은 파장과 낮은 송신 전력으로 인해 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서 높은 경로 손실과 제한된 통신 범위가 발생하는 문제를 해결한다.
• 초고밀도 플라스모닉 안테나 어레이를 사용해 전체 전자기파 제어를 가능하게 하여 기존 MIMO 시스템의 한계를 극복한다.
• 플라스모닉 송수신 어레이와 재구성 가능한 반사 어레이를 환경 내에서 통합한 종단 간 물리 모델을 개발하여 상호보완적인 빔포밍을 실현한다.
• 하드웨어 제약 조건 하에 송신 전력, 안테나 수, 반사어레이 요소 수를 최적화하여 데이터 전송 속도와 커버리지 최대화를 도모한다.
• 실내 밀리미터파/테라헤르츠 환경에서 테라비트-per-초(Tbps) 수준의 데이터 전송 속도를 달성하고 거리 연장이 가능함을 입증한다.

제안 방법

• 그래핀과 메타표면을 기반으로 한 플라스모닉 안테나 어레이를 사용해 고해상도 및 고집적 밀도를 구현하는 초초대규모 MIMO 플랫폼을 설계한다.
• 실내 표면(예: 벽, 천장)에 플라스모닉 반사어레이를 구현하여 전송, 수신, 반사 및 웨이브가이딩 모드를 모두 구현할 수 있는 프로그래밍 가능한 표면을 제공한다.
• 대규모 fading(경로 손실)과 소규모 fading(i.i.d. 레일리 fading)을 포함한 종단 간 전체 파장 물리 채널 모델을 개발하며, 채널 행렬은 H = GA^{1/2}로 표현된다.
• 총 송신 전력, 총 안테나 수, 반사어레이 요소 수에 대한 제약 조건 하에 합계 데이터 전송 속도와 도달 가능한 거리를 최대화하는 공동 자원 할당 최적화 문제를 수립한다.
• 시스템 모델을 활용해 도달 가능한 합계 전송 속도를 C = B log₂(1 + P_t M N)로 유도하며, 사용자 수가 적을 경우 간섭 감소의 점점 증가하는 특성을 보인다.
• L자형 복도 기하구조를 가진 300 GHz, 50 GHz 대역폭의 실내 시나리오를 사용해 수치적 평가를 수행하여 성능 향상을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고경로 손실에도 불구하고 재구성 가능한 플라스모닉 어레이를 갖춘 초초대규모 MIMO 플랫폼이 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역에서 통신 범위를 크게 연장할 수 있는가?
• RQ2 환경에 배치된 플라스모닉 반사어레이가 제어된 반사 및 웨이브가이딩을 통해 신호 강도와 데이터 전송 속도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 1024×1024 플라스모닉 송수신 어레이와 다양한 크기의 반사어레이를 조합했을 때 도달 가능한 데이터 전송 속도와 커버리지 연장은 어느 정도인가?
• RQ4 실제 전력 및 하드웨어 제약 조건 하에서 안테나 수와 반사어레이 요소 수가 증가함에 따라 시스템 성능가 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 통합된 송신, 반사, 수신 플라스모닉 플랫폼을 통한 전체 파장 전자기파 제어가 현실적인 실내 환경에서 Tbps 수준의 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 UM-MIMO 플랫폼은 300 GHz에서 L자형 실내 복도 환경에서 기존 시스템 대비 수신 신호 전력이 최대 40 dB 향상된다.
• 1024×1024 플라스모닉 송수신 어레이와 크기 M_s = 1200인 반사어레이를 사용할 경우 시스템은 테라비트-per-초(Tbps) 수준의 합계 데이터 전송 속도를 달성한다.
• 재구성 가능한 플라스모닉 반사어레이를 통한 지능형 파장 제어를 활용해 밀리미터파 및 테라헤르츠 대역의 기본적인 경로 손실 제약을 극복하고 커버리지가 크게 확장된다.
• 해석적 모델은 시스템 스루풋이 송신 안테나 수(N)와 반사어레이 요소 수(M)의 곱에 비례해 증가하며, 유리한 전파 조건 하에서 C = B log₂(1 + P_t M N)에 도달함을 보여준다.
• 최적화 프레임워크는 최소 전송 속도 요구사항(Γ_th^(k))을 충족시키면서도 합계 데이터 전송 속도를 최대화하기 위해 송신 전력, 안테나 수, 반사어레이 크기를 효과적으로 균형 잡는 데 성공했다.
• 성능 향상의 원인은 고이득 빔포밍과 지능형 환경 재구성 간의 상호보완적 상호작용으로, 비선형 시야 조건에서도 거의 선형 시야 성능을 달성할 수 있다.