[논문 리뷰] Towards 6G Hyper-Connectivity: Vision, Challenges, and Key Enabling Technologies

Howon Lee, Byungju Lee외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 세포 없는 대규모 MIMO, 지구 및 비지구 네트워크의 통합, 공중 분산 계산을 포함한 핵심 기반 기술들을 통해 테라비트/초(Tbps) 데이터 전송 속도, 커버리지 홀이 없는 네트워크, 그리고 광범위한 컴퓨팅을 가능하게 하는 6G 초연결성에 대한 비전을 제안한다. 핵심 기여는 물리적 및 가상 도메인을 아우르는 광범위하고 지능적이며 저지연 연결성을 달성하기 위한 통합 프레임워크이다.

ABSTRACT

Technology forecasts anticipate a new era in which massive numbers of humans, machines, and things are connected to wireless networks to sense, process, act, and communicate with the surrounding environment in a real-time manner. To make the visions come true, the sixth generation (6G) wireless networks should be hyper-connected, implying that there are no constraints on the data rate, coverage, and computing. In this article, we first identify the main challenges for 6G hyper-connectivity, including terabits-per-second (Tbps) data rates for immersive user experiences, zero coverage-hole networks, and pervasive computing for connected intelligence. To overcome these challenges, we highlight key enabling technologies for 6G such as distributed and intelligence-aware cell-free massive multi-input multioutput (MIMO) networks, boundless and fully integrated terrestrial and non-terrestrial networks, and communication-aware distributed computing for computation-intensive applications. We further illustrate and discuss the hyper-connected 6G network architecture along with open issues and future research directions.

연구 동기 및 목표

• 인간, 기계, 센서를 위한 몰입형, 실시간, 글로벌 연결 서비스를 지원하는 데에 5G의 한계를 해결하기 위해.
• 6G 초연결성의 핵심 과제를 규명하기 위해: 테라비트/초(Tbps) 데이터 전송 속도, 커버리지 홀이 없는 네트워크, 계산 집약적인 연결 지능.
• 지상, 공중, 위성 기반 네트워크를 아우르는 통신, 컴퓨팅, 지능의 통합적 시스템 수준 비전을 제안하기 위해.
• 진정으로 초연결성, 광범위한 연결성, 지능적인 6G 사회를 실현하기 위한 기반 기술과 열린 연구 과제를 요약하기 위해.

제안 방법

• 플라스모닉 나노안테나를 활용한 테라헤르츠(THz) 통신과 초대규모 MIMO(UM-MIMO)를 통해 빔포밍과 스펙트럼 활용을 통한 Tbps 데이터 전송 속도를 달성하기 위해.
• 세포 없는 대규모 MIMO 네트워크를 설계하여 세포 경계를 제거하고 원활한 연결성을 지원하며, 기존의 세포 기반 아키텍처를 대체하기 위해.
• 위성 및 고고도 플랫폼(HAPS)을 포함한 지상 및 비지구 네트워크(NTN)를 통합하여 글로벌 3차원 커버리지와 커버리지 홀이 없는 네트워크를 실현하기 위해.
• 통신 오버헤드를 감소시키고 장애 발생 또는 지연 발생 장치에 대한 내성을 향상시키기 위해 공중에서의 계산 및 코딩된 분산 계산을 구현하기 위해.
• 통신 인식 기반 분산 컴퓨팅 및 확장 가능한 딥러닝 기법(예: 연합학습, 분할학습, 공중에서의 학습)을 적용하여 대규모 분산 장치에서 저지연, 확장 가능한 AI를 실현하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 데이터 전송 속도 향상을 위해 궤도역행운동(OAM) multiplexing, 전기역행, 공간 변조-MIMO(SM-MIMO)를 활용하기 위해.

Figure 1 : Key concepts of 6G hyper-connectivity.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6G는 몰입형 애플리케이션인 24K VR 및 디지털 트윈을 지원하기 위해 어떻게 Tbps 데이터 전송 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 커버리지 홀이 없는 네트워크와 광범위한 3차원 연결성을 실현하기 위해 어떤 아키텍처적 및 기술적 혁신이 필요한가?
• RQ3 통신과 컴퓨팅을 공동 설계하여 광범위하고 저지연, 내성적인 분산 지능을 지원하기 위해선 어떻게 해야 하는가?
• RQ4 통합된 지상 및 비지구 네트워크는 글로벌 초연결성을 실현하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 공중에서의 계산 및 코딩된 계산 기법은 6G의 분산 계산에서 신뢰성과 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 몰입형 XR, 홀로그램 디스플레이, 디지털 트윈 애플리케이션을 위해 Tbps 데이터 전송 속도가 필수적이다. 24K VR는 64 PPD 및 200 Hz에서 최소 6.37 Gbps의 스트림 당 전송 속도가 필요하다.
• UM-MIMO 및 빔포밍을 활용한 세포 없는 대규모 MIMO는 초밀도 T-대역 네트워크에서 5G 대비 10~100배의 데이터 전송 속도 향상을 제공할 수 있다.
• 위성 및 HAPS를 포함한 비지구 네트워크(NTN)는 지상 네트워크의 한계를 초월해 커버리지 홀이 없는 글로벌 3차원 커버리지 네트워크를 실현하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• 공중에서의 계산은 계산 결과를 동시에 무선 전송하고 집계함으로써 통신 및 계산 오버헤드를 감소시킨다.
• MDS 코드를 활용한 코딩된 분산 계산은 지연 또는 장애 발생한 작업을 완료된 서브작업들로부터 복구할 수 있어, 링크 장애 상황에서도 시스템의 내성을 향상시킨다.
• 연합학습 및 분할학습과 같은 확장 가능한 딥러닝 기법을 공중에서의 집계와 결합하면 분산 장치 간에 효율적이고 저지연의 AI 훈련을 실현할 수 있다.

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