[论文解读] Wireless Terahertz System Architectures for Networks Beyond 5G

Alexandros–Apostolos A. Boulogeorgos, Angeliki Alexiou+16 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 96被引用 28

一句话总结

本文提出了一种面向6G网络的新型太赫兹（THz）系统架构，聚焦于密集环境中的高容量回传/前传以及高速率接入。该架构集成了先进的射频前端、可重构天线以及光域与无线链路之间的联合基带处理，实现了点对点、点对多点及准全向场景下每秒数千兆比特的吞吐量，300 GHz频段性能目标超过10 Gbps。

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.

研究动机与目标

• 通过利用太赫兹频谱，解决5G之后超大容量无线网络的需求。
• 克服275 GHz以上频段在实际系统部署中的传播与硬件挑战。
• 设计一种可扩展、灵活的网络架构，支持包括物联网、数据中心和最后一英里接入在内的多样化应用场景。
• 通过集成光无线信号处理与频谱高效波形，实现每秒数千兆比特的数据速率。
• 定义三种关键部署场景（点对点、点对多点及准全向链路）的系统级需求与候选架构。

提出的方法

• 提出一种跨越光域与无线链路的联合基带信号处理架构，以最小化延迟并最大化频谱效率。
• 设计适用于275 GHz以上频段的宽带、频谱高效射频前端，采用先进半导体技术实现。
• 开发专为太赫兹频段高路径损耗与定向传播特性量身定制的新波形与多址接入方案。
• 实现具备波束成形与波束跟踪功能的可重构天线阵列，以维持高链路可靠性。
• 集成物理层（PHY）与介质访问控制（MAC）层增强功能，以支持高速率与低延迟通信。
• 定义三种候选系统架构——固定点对点、独立点对多点及准全向，分别匹配特定应用场景与性能目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效利用275 GHz以上的太赫兹频段，实现6G网络中高容量无线回传与接入？
• RQ2 为实现太赫兹频段中高路径损耗与大气吸收条件下的多吉比特每秒数据速率，需要哪些系统级架构与组件设计？
• RQ3 联合光无线基带处理如何提升集成太赫兹系统的频谱效率并降低延迟？
• RQ4 点对点、点对多点及准全向太赫兹通信场景的关键性能需求与设计权衡是什么？
• RQ5 在真实部署环境中，支持可靠、高吞吐量太赫兹链路，需要哪些新型MAC与PHY层功能？

主要发现

• 所提出的系统在300 GHz频段的视 Line-of-sight 高频太赫兹链路中实现了超过10 Gbps的数据速率，满足严格的6G性能目标。
• 在光域与无线域之间实现联合基带处理，可实现高效信号分发并降低硬件复杂度。
• 利用先进半导体技术，275 GHz以上的宽带射频前端具备可行性，可实现大带宽、频谱高效的传输。
• 具备波束成形与波束跟踪功能的可重构天线阵列显著提升了动态环境中链路的可靠性与覆盖范围。
• 三种候选架构——点对点、点对多点及准全向——在回传、物联网与室内接入等多样化应用场景中均展现出可行性。
• 信道建模与波形设计对于缓解太赫兹频段中的路径损耗与大气吸收等传播损伤至关重要。