清華大学がRISとAIをベースにした6G用の低電力通信を開発

​6G向けMassive MIMOの詳細

​MIMO (Multiple-Input-Multiple-output) は、5Gで使用される最も重要な技術の1つで、数百ものアンテナを使用して数Gbpsの高速データレートを実現します。6Gに求められるデータレートの10倍を実現するため、Massive MIMOは、数千を超えるアンテナを備えたUltra-Massive MIMO (UM-MIMO) へと進化しています。 ​

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​6G UM-MIMOの主な課題の1つは、最大許容消費電力要件です。既存のUM-MIMOシステムは通常、フェーズドアレイを使用するため、多くのトランシーバモジュールと移相器を必要とするため、ハードウェアの電力消費が非常に高くなります。 さらに、アンテナ数と必要なデータレートが大幅に増加すると、計算時の消費電力も大幅に増加します。 ​ 

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​低電力通信システムの開発

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​この課題に対処するため、ハードウェアとソフトウェアを共同して最適化することにより、6G用に再構成可能なインテリジェントサーフェス (RIS) と人工知能 (AI) に基づく低電力通信システムを開発しました。 

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​ハードウェアについては、ハードウェアの電力消費を削減するために、電力を消費するフェーズドアレイを低電力RISに置き換えました。分離された移相器およびアンテナを使用するフェーズドアレイとは異なり、RISは移相器とアンテナモジュールを統合します。それは、数千の低電力サブ波長メタマテリアルで構成されています。十分な実験により、RISは低い電力消費量で高ゲインのビームを生成できることが実証されています。私たちの開発したシステムでは、フェーズドアレイの代わりに基地局で256要素のRISを使用しています。さらに、送信電力を抑えて通信をサポートするリレーとして、要素数2,304のRISを採用しています。

^{​図1:リレー側で2,304要素のRIS}

​ソフトウェアについては、AIベースの送信設計を開発して計算の電力消費を削減しました。単一ニューラルネットワークベースの信号処理モジュールを利用して、変調、復調、チャンネル符号化、復号化などを含む、従来の複雑な信号処理モジュールを置き換えます。

​これらのハードウェアおよびソフトウェアソリューションは、6Gの低電力ソリューションの可能性を示すため、NIのミリ波通信プラットフォームに実装されています。

^{​図2:さまざまなAIベース通信}

​次のステップ

​今後は、近傍場伝播に対する考慮が必要な、極めて大規模なアンテナアレイ (ELAA) による低電力通信に注力しています。具体的には、1,000本を超えるアンテナを使用して、ELAAの近距離伝送技術を設計および実装する予定です。

参考資料

M.Cui, Z. Wu, Y. Chen, S. Xu, F. Yang, and L. Dai, “Demo:Low-power communications based on RIS and AI for 6G,” in Proc.IEEE ICC 2022, May 2022.(IEEE ICC 2022 Outstanding Demo Award)​