Introduzione: Il prossimo salto nelle comunicazioni wireless

La domanda senza limiti di velocità più elevate, latenza più bassa e la connettività ubiquitous sta spingendo le tecnologie wireless oltre i limiti delle frequenze a microonde e a onde millimetriche. Le reti di quinta generazione (5G) sono ora in fase di distribuzione, ma le loro capacità alla fine diminuiscono i requisiti per le applicazioni come la telepresenza olografica, terabit-per-secondo backhaul, e in tempo reale gemelli digitali.

A differenza delle bande sub-6 GHz e millimetro-wave, lo spettro THz offre ordini di grandezza più larghezza di banda - potenzialmente centinaia di gigahertz. Tuttavia, sfruttando queste frequenze richiede superare gravi perdite di propagazione e limitazioni hardware.

Comprensione di Terahertz MIMO Comunicazione

La banda di frequenza di Terahertz

La regione di terahertz si trova tra il microonde e gli spettri a infrarossi, occupando frequenze da 0,1 THz a 10 THz. Questa banda è stata a lungo indagata per spettroscopia, imaging e rilevamento, ma solo recentemente è stata seriamente considerata per le comunicazioni wireless. L'attrazione principale è l'abbondanza di spettro inutilizzato.

Il ruolo di MIMO

La tecnologia MIMO è già un punto di forza di moderni standard wireless (4G, 5G, Wi-Fi 6/7), che utilizza più antenne sia al trasmettitore che al ricevitore per inviare diversi flussi di dati simultaneamente sulla stessa risorsa di frequenza, aumentando così l'efficienza spettrale.

Caratteristiche principali dei canali MIMO THz

La propagazione di THz è notevolmente diversa dalle frequenze più basse. Il canale è dominato da una grave perdita di percorso (proporzionale al quadrato della frequenza), dall'assorbimento molecolare (soprattutto dal vapore acqueo e dall'ossigeno), e da una forte esigenza di linea di vista (LOS). La diffrazione è debole, e le riflessioni sono spesso speculari. Per gli ambienti interni, il canale diventa rado nel dominio angolare, con solo pochi percorsi di diffusione dominante.

Vantaggi di Terahertz MIMO

THz MIMO offre una gamma di vantaggi che lo rendono un candidato attraente per le future reti wireless.

Tassi di dati ultra-alti

L'enorme larghezza di banda disponibile nella banda THz è il vantaggio più convincente. Ad esempio, un sistema con 100 GHz di larghezza di banda può teoricamente raggiungere i tassi di dati superiori a 100 Gbps per flusso con semplice modulazione. Con il multisala spaziale utilizzando grandi array MIMO, i tassi aggregati nei terabit per secondo diventano fattibili. Questa capacità è essenziale per applicazioni come i data center wireless, le cellule di terabit-per-secondo backhaulX ad alta

Efficienza spettrale e Gains Spaziali Multiplexing

Con le frequenze MMO di massa a THz, il numero di flussi spaziali può scalare notevolmente.Gli studi teorici mostrano che, in condizioni ideali di LOS, la capacità cresce linearmente con il numero di coppie di antenne, limitate solo dall'apertura di array. Poiché gli array THz possono essere estremamente compatti (ad esempio, un array 10×10 mm può ospitare migliaia di elementi), il guadagno di multiplexing spaziale per area unità supera quello che è possibile a frequenze più basse per bit trasmesse a microonde o a spettro di mmWa.

Miniaturizzazione del dispositivo

La piccola lunghezza d'onda a frequenze THz consente di realizzare antenne su chip utilizzando processi CMOS o semiconduttori avanzati. Un singolo chip può integrare un grande array phased con componenti front-end RF, riducendo le dimensioni e il costo complessivo delle attrezzature dell'utente. Questa miniaturizzazione è un adattatore chiave per dispositivi portatili, sensori indossabili e nodi Internet of Things (IoT) che richiedono un'elevata produttività senza moduli di antenne voluminose.

Sicurezza avanzata e bassa probabilità di intercetti

Un eavesdropper situato al di fuori dello stretto lobo principale sperimenterebbe una grave caduta del segnale. Combinato con la natura a corto raggio dei collegamenti THz (tipicamente decine a poche centinaia di metri), il rischio di intercettazione è inferiore rispetto ai sistemi omnidirezionali o wide-beam. Questa proprietà rende THz MIMO attraente per comunicazioni sicure in applicazioni militari, finanziarie o private.

Capacità di formazione e di formazione

Grazie alla regolazione della fase di ogni elemento, il sistema può pilotare raggi estremamente stretti con una precisione eccezionale. Questa capacità è fondamentale per il monitoraggio degli utenti mobili e il mantenimento di un collegamento robusto in scenari non-line-of-sight se viene utilizzato un percorso riflesso.

Sfide in Terahertz MIMO Systems

Nonostante la sua promessa, THz MIMO affronta ostacoli formidabili che devono essere superati prima della commercializzazione.

Perdita di propaganda e assorbimento

La perdita di percorso a frequenze THz è estrema. La perdita di percorso libero (FSPL) aumenta con il quadrato di frequenza; a 1 THz, FSPL è 60 dB più alta di 1 GHz sulla stessa distanza. Inoltre, l'assorbimento atmosferico - soprattutto dal vapore acqueo, ossigeno e altre molecole - introduce picchi di attenuazione gravi, soprattutto a frequenze intorno a 0.56 THz e oltre 1 THz.

Impairments hardware e sfide di fabbricazione

La tecnologia CMOS ha progredito al punto in cui i transistor possono passare a velocità THz, ma la potenza di uscita rimane bassa (tipicamente sub-milliwatt) e le figure di rumore sono alte. Gli amplificatori di potenza soffrono di basso guadagno ed efficienza, limitando l'efficace potenza irradiata isotropica (EIRP).

Lavorazione complessa dei segnali e progettazione algoritmica

La larghezza di banda senza precedenti e grandi conta antenna impongono enormi esigenze computazionali. Gli algoritmi di elaborazione dei segnali per la stima dei canali, la precodifica, il rilevamento e la travettatura devono gestire il MIMO massiccio con centinaia o migliaia di antenne mentre operano su centinaia di gigahertz di larghezza di banda. Il canale cambia rapidamente a causa della mobilità degli utenti e delle variazioni ambientali, che richiedono l'adattabilità bassa latenza.

Gaps di regolazione e standard

Lo spettro THz non è ancora completamente destinato alle comunicazioni commerciali wireless. L'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) e i regolatori nazionali stanno iniziando ad aprire bande specifiche (ad esempio, 252–296 GHz e 275–450 GHz sono stati identificati per i servizi di comunicazione mobile e fisso). Tuttavia, l'armonizzazione mondiale è ancora nelle sue fasi iniziali.

Applicazioni promettenti di Terahertz MIMO

Quando combinato con MIMO, le comunicazioni THz possono consentire una varietà di applicazioni rivoluzionarie.

6G e oltre le reti mobili

Il MIMO THz servirà come booster di capacità per piccole celle, backhaul wireless e accesso wireless fisso. La sua capacità di fornire i tassi di dati multi-terabit-per-secondo supporta lo streaming video ad alta definizione, display olografici e cloud computing critico di latenza.

I data center wireless e gli interconnessi del rack del server

I collegamenti THz MIMO possono sostituire cavi ingombranti con connessioni wireless ad alta velocità tra rack e rack, riducendo il peso, i requisiti di raffreddamento e la manutenzione. La breve gamma all'interno di un data center (±10 m) allevia i problemi di perdita di propagazione, e l'elevata direttività riduce le interferenze.

Realtà estesa immersiva (XR)

La realtà virtuale, la realtà aumentata e la realtà mista richiedono una latenza estremamente bassa (±5 ms) e una risoluzione elevata (8K o più per occhio). Le connessioni cablate limitano il movimento, mentre le opzioni wireless esistenti (Wi-Fi, 5G) non possono garantire il throughput necessario.

Sensazione e imaging ad alta risoluzione

Le onde THz possono penetrare molti materiali non conduttivi (clothing, plastics, cartone) e fornire immagini ad alta risoluzione grazie a lunghezze d'onda sottomillimetriche. I array MIMO possono sintetizzare grandi aperture per la rilevazione radar, consentendo lo screening della sicurezza, il controllo della qualità industriale e la diagnostica biomedica.

Internet delle cose e degli ambienti intelligenti

Mentre i dispositivi IoT richiedono tipicamente bassi livelli di potenza e dati, alcune applicazioni (ad esempio, sensori video ad alta risoluzione, platooning autonome) richiedono un elevato rendimento. THz MIMO può servire come backhaul per i cluster IoT densi, e le dimensioni minuscole dell'antenna permettono l'integrazione in sensori, droni e wearables. Inoltre, la capacità di percepire l'ambiente con gli stessi segnali RF consente la consapevolezza contestuale avanzata per le case intelligenti e le fabbriche.

Ricerche e Trattamenti attuali

La ricerca in THz MIMO sta accelerando, con diversi risultati notevoli negli ultimi anni.

Dimostrazioni di registrazione

Nel 2020, i ricercatori dell'Istituto di ingegneri elettrici ed elettronici (IEEE) hanno riferito che un sistema MIMO da 300 GHz raggiunge 100 Gbps oltre 20 metri (vedere IEEE Xplore: 100 Gbps THz MIMO]]). Più recentemente, un team dell'Università di Hiroshima ha dimostrato un trasmettitore 1-THz a singolo chip con antenne integrate in grado di trasmissione di 10 cm e alta gamma video.

Innovazione di trasformazione e di fase

I ricercatori di UC Berkeley hanno introdotto un array di 140 GHz MIMO phased utilizzando la tecnologia avanzata SiGe BiCMOS con 256 elementi, dimostrando il teletrasporto elettronico di ±40° (vedere IEEE JSSC: 140 GHz Phased Array]]).

Modellazione e apprendimento della macchina del canale

I modelli di canale accurati per THz MIMO sono essenziali per la progettazione del sistema. European Telecommunications Standards Institute (ETSI)[] e ITU-R] stanno lavorando su modelli di canale standard per la banda THz. I ricercatori stanno utilizzando l'apprendimento della macchina per stimare i canali THz in tempo reale, compensando le coppie di scarsa natura e le reti di variazione rapida

Prospettive e Integrazione Futuro con 6G

Il percorso per il THz MIMO commerciale si prevede di svolgersi nel prossimo decennio.

Roadmap e Timeline

Le implementazioni iniziali di THz saranno probabilmente dei collegamenti a punto fissi per la sostituzione di backhaul e fibra, forse già nel 2025-2027. Il MIMO di THz mobile per i dispositivi di consumo è previsto nel timeframe 6G (2030 in poi). La ricerca di Pre-6G si concentra ora sullo sviluppo di efficienti transceivers a banda larga, elaborazione digitale a bassa potenza e antenne innovative.

Sinergia con l'AI e superfici intelligenti riconfigurabili

L'intelligenza artificiale svolge un ruolo fondamentale nella gestione della complessità dei sistemi MIMO THz, ottimizzando i modelli di trave, codificando schemi e allocazione delle risorse. Le superfici intelligenti riconfigurabili (RIS) possono fungere da riflettori passivi per estendere la copertura intorno agli ostacoli, creando percorsi non-line-of-sight che raddoppiano la gamma utilizzabile dei collegamenti THz.

Considerazioni ambientali e sanitarie

Tuttavia, l'esposizione ad alta potenza potrebbe causare effetti termici. La ricerca sui limiti di sicurezza è in corso, ma i livelli di potenza nei sistemi di comunicazione sono molto inferiori a quelli che potrebbero causare danni. La breve gamma e l'alta direttività riducono anche il rischio di esposizione umana.

Conclusione: Una nuova era di connettività

Terahertz MIMO comunicazioni stanno all'incrocio di estrema larghezza di banda e avanzato elaborazione di antenne. La tecnologia promette i tassi di dati che naniscono gli standard attuali, consentendo applicazioni che erano una volta la roba di fantascienza. Tuttavia, il percorso di adozione diffusa è ripido, con significative sfide nella perdita di propagazione, hardware, algoritmi e regolazione.