Terahertz MAC Protocol Survey 논문 리뷰

 얼마 전 (2020년 6월)에 완성된 5G Release 16을 이어서, Release 17에 대한 논의가 시작되고 있다. 동시에, 6G Vision에 대한 논의가 시작되었고, ITU, 3GPP 등의 표준화 단체에서 2030년 표준화를 목표로 계획이 수립되고 있다. [1] 논문에 6G의 기술 후보부터 Timeline도 잘 정리되어 있다. 기회가 된다면 이 논문도 리뷰할 예정이다.

 논의는 시작했지만, 6G에 대해서는 Waveform을 비롯해 정해진 Protocol들이 거의 없다. 정해진 부분들이 적기 때문에, 특정 기술을 대상으로 Parameter를 최적화하는 논문은 거의 없고, 극복해야할 점들과 이를 위한 기술 후보군을 언급하는 Survey가 많다. 이 논문은 대부분의 6G 관련 문서 및 발표에서 필요하다고 주장하는 Terahertz 대역을 사용하기 위한 MAC Protocol에서 고려해야하는 내용을 Survey하고 있다. Terahertz의 특성을 고려하면 Physical Layer에 많은 변화가 추가되고, 이를 지원하기 위해 MAC Layer도 이를 고려한 설계가 진행되어야 하기 때문이다. 한 가지 아쉬운 점은 6G Cellular 기술을 자세히 타겟팅하는 것이 아니라, Terahertz 대역을 사용하는 통신 전체를 다루고 있다.

---

제목: MAC Protocols for Terahertz Communication: A Comprehensive Survey [2]

 

저널명 : arXiv:1904.11441v3 [cs.NI]

 

출판년도 : July, 2020 (Revised)

 

저자 : Saim Ghafoor, Noureddine Boujnah, Mubashir Husain Rehmani, Alan Davy

---

 

Terahertz Introduction

 Terahertz 대역에서는, 5G에서 mmWave를 언급했던 바와 비슷하게, 더 주파수 넓은 대역을 사용하고 특정 User에게 beam을 쏘기 때문에, 획기적으로 Capacity를 늘릴 수 있다. 하지만, 주파수가 높아졌기 때문에 생기는 path-loss 등의 이슈는 Antenna 설계 같은 발전된 Physical Layer이 필요하다. Terahertz 대역은 mmWave와 비교했을 때, 주파수가 더 높고, 방향성도 더 강하기 때문에, 안테나 간의 간섭도 적고, 작은 안테나를 설계할 수 있다. 그리고 이런 방향성이 있다는 특성은 주변에서 도청하기 힘들다는 장점도 가지고 있다.

 mmWave와 Terahertz를 얘기할 때 자주 비교되는 Free-Space Optical (FSO)는 Infra Frequency (IF)을 사용하는, 말 그대로, 빛을 쏘는 방식이다. 많은 데이터를 보낼 수 있지만, 앞에 방해물이 생기면, 통신이 거의 먹통이 되기도 하고, 산소나 수증기에 의한 산란도 Critical한 이슈다. Terahertz는 이보다는 방해물을 어느 정도 잘 피하면서, Data Rate도 매우 높다.

 위에서 설명한 Terahertz 대역의 특성 고려해서, Physical Layer를 설계해야 되는 것은 물론, 이를 Control하고 상위 Layer와 통신하기 위한 MAC Layer에 대한 Design도 연구되어야 한다. Cellular와 Sensor network의 MAC Protocol이 다른 것 처럼, Requirement에 맞는 MAC Protocol 설계가 필요하다. 이 논문에서는 수 십 cm를 다루는 Nano-Application과 수 m 이상을 다루는 Macro-Application을 나누고 있지만, 이 리뷰의 취지는 Cellular 통신에 필요한 Terahertz 기술을 보기 위한 것이기 때문에, Macro Application에 초점을 맞춰서 정리한다.

 

Feature of Terahertz band

 Terahertz가 필요하다는 것과 사용하기 어렵다는 것은 어렵지 않게 이해할 수 있다. 그러면 우선 어떤 점들이 Terahertz 대역의 특징인지, 이를 다루기 위해서 어떻게 MAC이 Design되어야 하는지 알아보자.

 

1) Path-Loss & Noise

 Terahertz은 다른 대역과 비교했을 때, 더 큰 Path-loss를 갖는다. 이 논문 [2]에는 Terahertz 파동이 퍼지면서 파동이 조금씩 약해지는 spread-loss와 공기 분자 등에 에너지가 흡수되어 파동이 약해지는 absorption-loss 등에 대한 식들이 정리된 문헌들 [3]이 소개 되어있다. 즉, 일부 Energy가 대기 중 분자에 흡수되는 특성, 흑체복사 등으로 인한 특성들도 고려해야한다. 이런 특성들이 종합적으로 맞물려서, Channel의 특성을 결정하게 되고, Terahertz 대역을 '주파수 대역별로 특성이 다른' Frequency-Selective 특성을 띠게 만든다.

2) Reflection Loss가 크다.

 Terahertz는 NLOS 상황에서 Reflection Loss가 크다. Non-line of Sight (NLOS)는 LOS가 확보되어있지 않을 때를 말하는데, 다른 물체와 부딪혀서 생기는 반사파가 Decoding 확률을 높이게 도와주기도 한다. 하지만 LOS와 NLOS가 동시에 있을 때는, 서로에 대해 간섭을 일으켜서 Decoding 성공 확률이 낮아지기도 한다. Multi-Path로 인한 Channel Impulse Response와 Delay Parameter는 MAC에서 결정하는 Modulation Coding Scheme (MCS), Beam Steering 등에도 영향을 미치고, 이에 대한 참고문헌 [4]도 이 논문에 정리되어 있다. 5G mmWave에서 소개했던 바와 같이, LOS와 NLOS의 식이 다르기 때문에 자신의 Channel 특성에 맞게 선택하면 된다.

 정리하면, Terahertz 대역은 Path-loss가 크고, Reflection Loss가 크다는 특성이 있다. 이런 내용들은 mmWave 대역을 sub 6 GHz 대역과 비교했던 내용들과 비슷하다. 이전에 리뷰했던 내용들을 생각해보면, 이런 특성을 위해 Beam의 폭이 좁아지고, Antenna Management가 중요해질 것이라는 점을 예상해볼 수 있다.

 

MAC Design Issue

 Terahertz 대역의 특성들을 고려하기 위해 MAC Design에서는 다음 사항들을 고려해야 한다. 가장 먼저, Physical Layer의 Antenna를 Control하기 위한 기술이 연구되어야 한다. 방향성이 있고, 약한 신호를 다루기 때문에, Beam Switching을 빠르게 해야한다. MAC은 주어진 Traffic Data를 각 Antenna beam에 Mapping하고, 어떤 Antenna들을 이용해서 각 노드에 전송할지를 정해야한다. (Scheduling) 이 과정에서 Pulse, Symbol, Frame 등 다양한 주기로 Scheduling할 수 있으며, 알고리즘 방식 또한 Round Robin, Maximum Throughput, Minimum Delay Algorithm 등 다양한다. 이런 Scheduling을 할 때는, MAC은 Link의 상태를 파악하고, 이를 최적화에 사용한다.

 Channel 상태의 영향을 많이 받는 Terahertz의 특성상, Channel이 급변하는 것처럼 느껴질 수 있기 때문에, Bit Error Rate (BER)을 줄이기 위해 더 세밀하게 MCS를 조절할 필요가 있다. (Adaptive) Noise Level을 낮추고, SINR을 유지하기 위한 Power Control도 중요한 Issue 중 하나다. LOS가 확보되지 않은 상황에서 Relay를 이용해서 Reliability와 Coverage를 늘릴 수 있는 방법 또한 MAC Layer에서 고려되어야 한다. 이를 위해 MAC Layer에서는 Bandwidth / Frequency Slection (Allocation), MCS, Power, Beam Steering을 결정해야 한다.

 Channel Access는 Scale에 따라서 Nano / Macro로, 채널 접근 방식에 따라서는 Random / Scheduled로 나눴고 관련된 논문들을 정리했다. Random Access은 주로, Wi-Fi같은 Contention-based, Scheduled는 Cellular에 사용된다. Macro와Scheduled가 우리가 알고 있는 6G에 적용될 가능성이 가장 높기 때문에 이를 중점적으로 봤다. 기본적으로는, Time 축으로 나누는 TDMA, Frequency와 Time축으로 모두 나누는 FTDMA가 있다. 이 Section에 mmWave와 Terahertz 사이를 Switching하는 논문 등 다양한 주제의 논문들이 소개되어 있다. Random Access는 Node의 Density가 높아졌을 때, Collision이 발생할 수 있고, Delay가 커지는 단점을 갖고 있지만, 전체적인 Throughput은 올라간다. Scheduled Access는 이와 반대의 특성을 가지고 있기 때문에 이 두 가지를 적당히 섞은 Hybrid Channel Access 방식도 Terahertz 대역에서 연구되고 있다.

 

MAC Layer 연구 방향

이 논문에서는 다양한 연구 방향을 세분화해서 제시하였지만, 크게 3가지로 연구방향을 정리할 수 있을 것 같다.

1) Antenna 설계와 Beam Management를 위한 연구

 Terahertz의 Path-loss도 크고, 많은 Antenna를 짧은 시간안에 Switching해야 하기 때문에 이를 위한 Chip에 대한 연구, Beam Management에 대한 최적화 연구가 이루어질 것이다. 더 좁은 Beam을 쏘기 때문에 Tx와 Rx 사이의 sync도 제대로 맞아야하고, Link를 Establish하고, 유지하는 것에 대한 연구가 필요하다. 특히, V2X 같은 시나리오에서는 Mobility를 고려해야 하는데, 이 경우 Changed Location, Narrow Beam을 더 디테일하게 모델링해야 한다.

2) Relay를 위한 연구

 Terahertz는 Coverage도 매우 좁고, NLOS 상황에 매우 취약하다. 따라서, 이를 해결하기 위해, 짧게, 여러 번 Relay해서 전송하는 기술이 필요하다. 각 Relay마다 Processing 과정에서 추가 Delay가 발생하기 때문에 이를 최소화하기 위한 새로운 Algorithm과 Node간의 Coordination에 대한 연구가 필요하다.

3) Cross-Layer Design과 Scheduling

 MAC Layer를 설계할 때는, MAC만을 보는 것이 아니라, PHY Layer나 다른 Layer가 주고 받는 Parameter들도 함께 고려되어야 한다. 예를 들어, Buffer state, PHY에서 Report하는 Channel Quality 등을 종합적으로 고려해서 Scheduling을 해야한다. 이 부분에서 많은 논문들이 AI 알고리즘에 Input으로 해당 값들을 넣는다.

 

Conclusion

 이 논문을 요약하면,

 'Terahertz는 Beam 폭과 coverage가 작고, 매우 Path-loss, Interference, Blockage에 취약하다. 따라서, 이를 보완하기 위해 Antenna를 빠르게 Switching하고 Manage하는 기술, Tx와 Rx 간의 Sync를 잘 맞추는 기술이 필요하다. 또한, Channel을 효율적으로 사용하기 위한 Scheduling Algortihm을 개발하고, NLOS에 취약하기 때문에 Relay 기술을 더욱 연구해야 한다.' 라고 정리할 수 있다.

 아직 6G이 어떤 PHY Layer Protocol을 가질지 확정되지 않았기 때문에, 어떻게 활용하면 좋을지에 대해서 감을 잡기는 힘들다. 하지만, Terahertz 대역에서는 Channel 상태를 기반으로 Beam을 세세하게 Control해서 Resource Allocation을 진행하기 때문에 Scheduling 알고리즘에 대한 연구가 더욱 중요해질 것이라 생각한다. Relay나 Scheduling에 Node들의 Location에 대한 정보, Channel 상태 등의 정보를 AI Algorithm으로 넣는다면, 더 좋은 성능을 보이는 시스템을 만들 수 있지 않을까라는 생각을 해본다.

 Sharetechnote의 추천을 통해 이 논문을 접했지만, Terahertz 대역 사용에 대한 Broad한 접근이기 때문에, 다른 리뷰보다 6G MAC 연구에 대한 깊은 Insight를 얻기는 힘들 것 같다. 곧, 6G 통신에 대한 추가 논문 [1]과 6G Summit Video [5]들을 보고, 더 구체적으로 정리해야겠다는 생각을 했다.

 

Reference

[1] I. F. Akyildiz, A. Kak and S. Nie, "6G and Beyond: The Future of Wireless Communications Systems," in IEEE Access, vol. 8, pp. 133995-134030, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3010896.

[2] "MAC Protocols for Terahertz Communication: A Comprehensive Survey", arXiv:1904.11441 [cs.NI] July, 2020.

[3] ITU, “Recommendation ITU-R P.525-3: Calculation of freespace attenuation,” Tech. Rep., 2016,

[4] A. Moldovan, M. A. Ruder, I. F. Akyildiz, and W. H. Gerstacker, “Los and nlos channel modeling for Terahertz wireless communication with scattered rays,” IEEE Globecom Workshops (GC Wkshps), pp. 388– 392, 2014.

[5] www.6gsummit.com/invitedtalks/

Invited Talks – 6G Wireless Summit 2020