[논문 리뷰] Non-Coherent and Backscatter Communications: Enabling Ultra-Massive Connectivity in the Era Beyond 5G

Syed Junaid Nawaz, Shree Krishna Sharma외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 192인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비일관성 통신과 백스캐터 통신(BsC)을 통합한 새로운 프레임워크를 제안하여 B5G 네트워크에서 초초대량 연결성을 실현한다. 이는 높은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성, 낮은 하드웨어 비용을 동시에 달성한다. 비일관성 검출의 단순성과 백스캐터 전송 메커니즘을 활용함으로써, 향후 6G 네트워크를 위한 확장 가능하고 저복잡도의 장치 연결성을 지원한다.

ABSTRACT

With the commencement of the 5th generation (5G) of wireless networks, researchers around the globe have started paying their attention to the imminent challenges that may emerge in the beyond 5G (B5G) era. Various revolutionary technologies and innovative services are offered in 5G networks, which, along with many principal advantages, are anticipated to bring a boom in the number of connected wireless devices and the types of use-cases that may cause the scarcity of network resources. These challenges, partly emerged with the advent of massive machine-type communications (mMTC) services, require extensive research innovations to sustain the evolution towards enhanced-mMTC with the scalable network cost in 6th generation (6G) wireless networks. Towards delivering the anticipated massive connectivity requirements with optimal energy and spectral efficiency besides low hardware cost, this paper proposes a framework that is fundamentally based on the amalgamation of non-coherent and backscatter communications (BsC). Considering the potentials of these technologies, starting with the review of 5G target services and enabling technologies, a comprehensive review of their state-of-the-art is conducted, and their potential applications and use-cases in B5G era are identified. Along with the main focus on non-coherent and BsC technologies, various emerging enabling technologies for 6G networks including unmanned aerial vehicles -assisted communications, visible light communications, quantum-assisted communications, reconfigurable large intelligent surfaces, non-orthogonal multiple access, and machine learning -aided intelligent networks are identified and thoroughly discussed. Subsequently, the scope of these enabling technologies for different device types (e.g., body implants), service types (e.g., e-mMTC), and optimization parameters (e.g., energy) is analyzed in detail. ...

연구 동기 및 목표

• B5G 시대의 연결 장치 급증과 다양한 사용 사례로 인한 네트워크 자원 부족 문제를 해결하기 위해.
• 에너지 효율성, 스펙트럼 효율성, 비용 확장성 측면에서 현재의 막대한 기계간 통신(mMTC)의 한계를 극복하기 위해.
• 비일관성 통신과 백스캐터 통신(BsC) 기반의 통합 프레임워크를 제안하여 최소한의 하드웨어 복잡도로 향상된-mMTC를 지원하기 위해.
• 재구성 가능 지능형 표면, 가시광선 통신, 기계학습 기반 네트워크와 같은 신규 6G 기술을 통합하여 시스템 성능을 향상시키기 위해.
• 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성 등의 핵심 최적화 파rameter를 기준으로 다양한 장치 유형(예: 신체 임플란트)과 서비스 유형(예: e-mMTC)에 대한 제안 프레임워크의 적용 가능성을 분석하기 위해.

제안 방법

• B5G 진화의 핵심 과제를 규명하기 위해 5G 목표 서비스 및 enabling 기술에 대한 종합적 검토를 수행한다.
• 수신기에서 채널 상태 정보가 필요 없도록 하는 비일관성 통신 기법을 통합하여 신호 전송 오버헤드와 복잡도를 감소시킨다.
• 백스캐터 통신(BsC)을 활용하여 장치가 입사하는 라디오 파장을 반사하거나 변조함으로써 배터리가 없는 또는 초저전력으로 작동할 수 있도록 한다.
• 비일관성 검출과 백스캐터 전송을 결합하여 초대규모 연결을 위한 에너지 효율적이고 저복잡도의 통신을 실현한다.
• 재구성 가능 지능형 표면, 무인 항공기(UAV), 가시광선 통신과 같은 신규 6G 기술과 제안 프레임워크 간의 상호보완성 분석을 수행한다.
• 기계학습 기반 기법을 적용하여 동적 B5G 환경에서 네트워크 파rameter 최적화 및 자원 할당을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비일관성 통신과 백스캐터 통신이 B5G 네트워크의 초초대량 연결성에 있어 확장성과 에너지 효율성 문제를 어떻게 공동으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 mMTC 환경에서 비일관성 검출과 백스캐터 전송을 통합할 경우의 성능 트레이드오프와 시스템 수준의 이점은 무엇인가?
• RQ3 재구성 가능 지능형 표면과 UAV 지원 통신과 같은 신규 6G 기술이 제안 프레임워크를 어떻게 보완하는가?
• RQ4 제안된 프레임워크는 엄격한 에너지 및 스펙트럼 제약 조건 하에서 임플란트 의료 장치와 같은 다양한 장치 유형을 어떻게 지원할 수 있는가?
• RQ5 제안된 통신 프레임워크의 맥락에서 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 어떤 최적화 전략을 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 비일관성 통신과 백스캐터 통신의 통합은 B5G 네트워크에서 초초대량 장치 배치에 적합한 확장 가능하고 저복잡도의 연결성을 가능하게 한다.
• 제안된 프레임워크는 하드웨어 비용과 에너지 비용을 크게 감소시켜, 배터리가 없는 또는 에너지 제약이 있는 장치(예: 신체 임플란트)에 매우 적합하다.
• 백스캐터 통신은 장치가 전용 RF 송신기를 갖추지 않아도 되게 하여 전력 소모를 극도로 낮추고 장기간 운영을 가능하게 한다.
• 비일관성 검출은 채널 추정이 필요 없게 하여 신호 전송 오버헤드를 감소시키고 동적 라디오 환경에서의 강인성을 향상시킨다.
• 이 프레임워크는 재구성 가능 지능형 표면과 가시광선 통신과 같은 신규 6G 기술과 호환되며 성능을 향상시킨다.
• 분석 결과, 제안된 접근 방식은 엄격한 에너지 및 스펙트럼 효율성 제약 조건 하에서도 다양한 서비스 유형(예: 향상된-mMTC)을 지원할 수 있음을 확인했다.