Inleiding: De volgende stap in draadloze communicatie

De meedogenloze vraag naar hogere datasnelheden, lagere latency en alomtegenwoordige connectiviteit duwt draadloze technologieën voorbij de grenzen van magnetron- en millimetergolffrequenties. Vijfde generatie (5G) netwerken worden nu ingezet, maar hun mogelijkheden zullen uiteindelijk tekortschieten aan de eisen voor toepassingen zoals holografische telepresentatie, terabit-per-second backhaul, en real-time digitale tweeling. Onderzoekers draaien daarom om de terahertz (THz) band .Ongeveer 0.1 tot 10 THz .Een transformerende bron voor toekomstige draadloze systemen. Door het combineren van THz frequenties met multi-input multi-output (MIMO) antenne configuraties, een nieuwe klasse ultra-hoge-snelheid, hoge capaciteit communicatie links wordt mogelijk. Dit artikel onderzoekt de fundamentele voordelen, uitdagingen en vooruitzichten van THz MIMO communicatie, een technologie die algemeen beschouwd wordt als een hoeksteen voor zesde generatie (6G) netwerken en daarbuiten.

In tegenstelling tot sub-6 GHz en millimetergolfbanden biedt het THz spectrum meer bandbreedte en zo goed als honderden gigahertz. Echter, het exploiteren van deze frequenties vereist het overwinnen van ernstige verspreidingsverliezen en hardwarebeperkingen. MIMO technieken, die meerdere antennes gebruiken om onafhankelijke datastromen over te dragen en te ontvangen, kunnen deze nadelen compenseren door ruimtediversiteit en multiplexing winsten te bieden. De synergie tussen THz en MIMO is niet alleen additief; het ontsluit nieuwe vrijheidsgraden in bundelvorming, bundels en kanaalcapaciteit die onbereikbaar zijn bij lagere frequenties.

Terahertz MIMO-mededeling begrijpen

De Terahertz frequentieband

De terahertz regio ligt tussen de magnetron en infrarood spectra, die frequenties van 0.1 THz tot 10 THz. Deze band is lang onderzocht voor spectroscopie, beeldvorming en sensoren, maar pas onlangs is serieus overwogen voor draadloze communicatie. De belangrijkste attractie is de overvloed van ongebruikte spectrum. Terwijl 5G gebruik maakt van millimetergolfbanden tot ongeveer 50 GHz met kanaalbandbreedtes van honderden megahertz, THz systemen kunnen gebruik maken van kanaalbandbreedtes van meer dan 100 GHz, waardoor ruwe datasnelheden in de honderden gigabits of zelfs terabits per seconde.

De rol van MIMO

MIMO-technologie is al een nietje van moderne draadloze standaarden (4G, 5G, Wi-Fi 6/7). Het maakt gebruik van meerdere antennes aan zowel de zender als de ontvanger om verschillende datastromen gelijktijdig over dezelfde frequentiebron te sturen, waardoor de spectrale efficiëntie toeneemt. In conventionele sub-6 GHz MIMO, antennes zijn verdeeld half een golflengte, die bij 2.4 GHz ongeveer 6,25 cm. Bij THz frequenties, de golflengte krimpt naar de sub-millimeter bereik . Voor 1 THz, de golflengte is 0,3 mm. Deze miniaturisatie maakt het mogelijk om honderden of zelfs duizenden antennes in een kleine vorm factor, waardoor enorme MIMO-arrays die onbereikbaar zijn bij lagere frequenties. Zulke dichte arrays kunnen creëren zeer smalle, zeer gerichte bundels die het verlies van paden bestrijden en maken ruimtelijk multiplexing op een ongekende schaal mogelijk.

Belangrijkste kenmerken van THz MIMO-kanalen

De THz-propagering is duidelijk verschillend van de lagere frequenties. Het kanaal wordt gedomineerd door ernstig wegverlies (evenredig aan het plein van de frequentie), moleculaire absorptie (vooral door waterdamp en zuurstof), en een sterke lijn-van-zicht (LOS) eis. Diffractie is zwak, en reflecties zijn vaak spectaculair. Voor binnenomgevingen, wordt het kanaal schaars in het hoekdomein, met slechts een paar dominante paden. MIMO-systemen kunnen deze sparity benutten om hoge multiplex winsten te bereiken als de arrayopeningen groot genoeg zijn om die paden op te lossen. Echter, de enorme bandbreedte impliceert ook dat het kanaal frequentie-selectieve over zeer smalle afstanden, waarvoor geavanceerde signaalverwerking nodig is.

Voordelen van Terahertz MIMO

THz MIMO biedt een reeks voordelen die het een aantrekkelijke kandidaat voor toekomstige draadloze netwerken maken. In de volgende paragrafen worden de belangrijkste voordelen beschreven.

Ultra-hoge gegevenstarieven

De enorme bandbreedte die beschikbaar is in de THz-band is het meest dwingende voordeel. Bijvoorbeeld, een systeem met 100 GHz bandbreedte kan theoretisch datasnelheden van meer dan 100 Gbps per stroom bereiken met eenvoudige modulatie. Met ruimtelijke multiplexing met grote MIMO arrays worden geaggregeerde snelheden in de terabits per seconde haalbaar. Deze capaciteit is essentieel voor toepassingen zoals draadloze datacenters, terabit-per-seconde backhaul tussen kleine cellen en meeslepende extended reality (XR) omgevingen die verliesloze, high-frame-rate video vereisen.

Spectrale efficiëntie en ruimtelijke multiplexing gains

Met massieve MIMO bij THz frequenties kan het aantal ruimtelijke stromen dramatisch schalen. Theoretische studies tonen aan dat, onder ideale LOS omstandigheden, de capaciteit lineair groeit met het aantal antenneparen, beperkt door alleen de array diafragma. Omdat THz arrays extreem compact kunnen zijn (bijvoorbeeld, een 10×10 mm array kan duizenden elementen herbergen), de ruimtelijke multiplexing winst per eenheid gebied ver overschrijdt wat mogelijk is op magnetron of mmWave banden. Dit betekent dat meer bits per seconde per Hertz kan worden overgedragen, gericht op de spectrale schaarste die lagere frequenties plagen.

Apparaatminiaturisatie

De kleine golflengte op THz frequenties maakt het mogelijk antennes op chips te vervaardigen met behulp van CMOS of geavanceerde halfgeleiderprocessen. Een enkele chip kan een grote gefaseerde array integreren met RF front-end componenten, waardoor de totale grootte en kosten van de gebruikersapparatuur worden verminderd. Deze miniaturisatie is een sleutel enabler voor draagbare apparaten, draagbare sensoren en Internet of Things (IoT) knooppunten die hoge doorvoercapaciteit vereisen zonder omvangrijke antennemodules.

Verbeterde beveiliging en lage waarschijnlijkheid van intercept

De THz-balken zijn zeer gericht door de kleine antennestraalbreedte. Een afluisterstroom buiten de smalle hoofdkwab zou een ernstige signaaldaling ervaren. In combinatie met de korte afstand van THz-verbindingen (meestal tientallen tot een paar honderd meter), is het risico van interceptie lager dan voor omnidirectionele of breedbeam systemen. Deze eigenschap maakt THz MIMO aantrekkelijk voor veilige communicatie in militaire, financiële of private data-overdracht toepassingen.

Beamforming en Beamstering Mogelijkheden

Het enorme aantal antenne-elementen in THz MIMO arrays maakt het mogelijk om hoge resolutie-stralen te vormen. Door de fase van elk element aan te passen, kan het systeem extreem smalle bundels sturen met uitzonderlijke precisie. Deze mogelijkheid is cruciaal voor het volgen van mobiele gebruikers en het handhaven van een robuuste verbinding in niet-lijn-van-zicht scenario's als een gereflecteerd pad wordt gebruikt. Hybride analoge-digitale beamforming architecturen kunnen het aantal vereiste RF-ketens verminderen terwijl flexibiliteit behouden blijft, waardoor THz MIMO praktisch is voor de implementatie in de echte wereld.

Uitdagingen in Terahertz MIMO Systems

Ondanks zijn belofte, THz MIMO geconfronteerd met enorme obstakels die moeten worden overwonnen voordat de commercialisering. Onderzoekers zijn actief het aanpakken van deze kwesties.

Hoog propagatieverlies en absorptie

Het verlies van het pad bij THz-frequenties is extreem. Het verlies van het vrije-ruimtepad (FSPL) neemt toe met het frequentievierkant; bij 1 THz, FSPL is 60 dB hoger dan bij 1 GHz over dezelfde afstand. Bovendien, atmosferische absorptie .primair uit waterdamp, zuurstof, en andere moleculen .Introduceert ernstige demping pieken , vooral bij frequenties rond 0,56 THz en boven 1 THz . Bijvoorbeeld , bij 1 THz , kan de absorptie verlies meer dan 10 dB per meter in vochtige omstandigheden . Dit beperkt het praktische bereik tot tientallen meters voor binnenverbindingen en een paar honderd meter in openlucht buiten . Toekomstige systemen zullen moeten gebruik maken van zeer gerichte bundels , geavanceerde codering , en eventueel relais knooppunten om de dekking uit te breiden .

Hardware-impairments en Fabrication Challenges

Het ontwerpen van transceivers die efficiënt kunnen werken op THz frequenties is een belangrijke technische uitdaging. CMOS-technologie is gevorderd tot het punt waar transistors kunnen schakelen op THz snelheden, maar uitgangsvermogen blijft laag (typisch sub-milliwatt) en geluid cijfers zijn hoog. Power versterkers lijden aan lage winst en efficiëntie, waardoor de effectieve isotroop uitgestraalde vermogen (EIRP) beperkt. Fase-gesloten loops en lokale oscillatoren vereisen extreem hoge precisie en lage fase lawaai. Antenna arrays moeten ook nauwkeurige kalibratie als gevolg van wederzijdse koppeling en fabricagetoleranties. Geavanceerde materialen zoals grafeen, silicium-germanium (SiGe), en indiumfosfide (InP) worden onderzocht om de prestaties te verbeteren.

Complexe signaalverwerking en algoritmeontwerp

De ongekende bandbreedte en grote antennetellingen leggen enorme rekeneisen op. Signaalverwerkingsalgoritmen voor kanaalschatting, precodering, detectie en bundelvorming moeten grote MIMO-algoritmen hanteren met honderden of duizenden antennes terwijl ze werken over honderden gigahertz bandbreedte. Het kanaal verandert snel door gebruikersmobiliteit en omgevingsvariaties, waarvoor adaptieve algoritmes met lage latency nodig zijn. Bovendien maakt de frequentieselectiviteit over de brede bandbreedte orthogonale frequentieverdelingsmultiplexing (OFDM) computationeel duur. Onderzoekers ontwikkelen hybride bundelvorming, gecomprimeerde detectie en diep leren technieken om complexiteit te verminderen en tegelijkertijd prestaties te behouden.

Regelgeving en normen

Het THz-spectrum is nog niet volledig toegewezen voor commerciële draadloze communicatie. De Internationale Telecommunicatie-Unie (ITU) en nationale regelgevers beginnen specifieke banden te openen (bijv. 252.296 GHz en 275.2450 GHz zijn geïdentificeerd voor mobiele en vaste communicatiediensten). Wereldwijde harmonisatie is echter nog in de beginfase. Standaardinstellingen zoals IEEE 802.15.3d hebben THz-communicatienormen voor vaste punt-tot-puntverbindingen gedefinieerd, maar mobiele breedbandnormen voor 6G zijn nog in discussie. Het ontbreken van gevestigde banden en certificatieprocedures kan onderzoek en commerciële investeringen vertragen.

Belovende toepassingen van Terahertz MIMO

In combinatie met MIMO kunnen THz-communicaties een verscheidenheid aan revolutionaire toepassingen mogelijk maken.

6G en verder dan mobiele netwerken

6G zal naar verwachting werken over sub-6 GHz, mmWave en THz banden. THz MIMO zal dienen als de ultieme capaciteit booster voor kleine cellen, draadloze backhaul, en vaste draadloze toegang. De mogelijkheid om multi-terabit-per-seconde data rates zal extreme high-definition videostreaming, holografische displays en latency-kritische cloud computing ondersteunen.

Draadloze datacenters en server-rekverbindingen

In datacenters is bekabeling een bottleneck voor schaalbaarheid en warmtemanagement. THz MIMO-verbindingen kunnen omvangrijke kabels vervangen door snelle draadloze verbindingen tussen racks en binnen racks, waardoor gewicht, koeling en onderhoud worden verminderd. Het korte bereik binnen een datacenter (<10 m) verlicht het verlies van voortplantingsproblemen en de hoge directiviteit minimaliseert interferentie. Bedrijven zoals Facebook en Google hebben mmWave en THz draadloze interconnects voor dit doel onderzocht.

Onderdompelende uitgebreide werkelijkheid (XR)

Virtual reality, augmented reality en mixed reality vereisen een extreem lage latency (<5 ms) en een hoge resolutie (8K of meer per eye). Bekabelde verbindingen beperken de beweging, terwijl bestaande draadloze opties (Wi-Fi, 5G) niet de benodigde doorvoercapaciteit kunnen garanderen. THz MIMO kan ongecomprimeerde of licht gecomprimeerde video streamen naar lichtgewicht head-mounted displays, waardoor echt meeslepende ervaringen zonder kabels mogelijk zijn.

Hoge resolutie sensing en beeldvorming

THz golven kunnen door vele niet-geleidende materialen (kleding, plastics, karton) en bieden hoge resolutie beeldvorming als gevolg van sub-millimeter golflengten. MIMO arrays kunnen grote openingen voor radar-achtige sensoren synthetiseren, waardoor beveiliging screening, industriële kwaliteitscontrole, en biomedische diagnoses. Een THz MIMO-systeem kan gelijktijdige communicatie en detectie (ISAC), die wordt beschouwd als een belangrijk kenmerk van 6G uitvoeren.

Internet of Things en slimme omgevingen

Terwijl IoT-apparaten meestal een lage stroom en lage datasnelheden vereisen, kunnen sommige toepassingen (bijvoorbeeld videosensoren met hoge resolutie, autonome voertuigplatooning) een hoge doorvoersnelheid vereisen. THz MIMO kan dienen als backhaul voor dichte IoT-clusters, en de kleine antennegroottes maken integratie in sensoren, drones en wearables mogelijk. Bovendien maakt het vermogen om de omgeving met dezelfde RF-signalen te voelen, geavanceerde contextuele bewustwording voor slimme huizen en fabrieken mogelijk.

Huidig onderzoek en doorbraken

Het onderzoek naar THz MIMO neemt toe, met een aantal opmerkelijke resultaten in de afgelopen jaren.

Demonstraties voor records

In 2020 rapporteerden onderzoekers van het Instituut voor Elektrotechnische en Elektronica-engineer (IEEE) een 300 GHz MIMO-systeem dat 100 Gbps over 20 meter bereikte (zie IEEE Xplore: 100 Gbps THz MIMO). Recentelijk toonde een team van de Hiroshima University een single-chip 1-THz-zender met geïntegreerde antennes die in staat zijn tot 10-cm bereik en hoge-definitie videostreaming (zie Nature Scientific Reports: CMOS THz Transmitter). Deze proof-of-concepten tonen aan dat hardware geleidelijk rijpt.

Boomvorming en faseverschuivingsinnovaties

Hybride bundelvormende architecturen zijn een hot topic. Onderzoekers van UC Berkeley introduceerden een 140 GHz MIMO gefaseerde array met behulp van geavanceerde SiGe BiCMOS-technologie met 256 elementen, die elektronische bundelgeleiding van ±40° aantoonde (zie IEEE JSSC: 140 GHz gefaseerde array). Ondertussen bieden nieuwe materialen zoals grafeen de mogelijkheid voor snellere tuning en lager energieverbruik in fasewisselaars.

Channel Modeling en Machine Learning

Nauwkeurige kanaalmodellen voor THz MIMO zijn essentieel voor systeemontwerp. Het European Telecommunications Standards Institute (ETSI) en de ITU-R werken aan standaard kanaalmodellen voor de THz-band. Onderzoekers gebruiken machine learning om THz-kanalen in real time te schatten, wat de schaarse aard en snelle variatie compenseert. Diepe neurale netwerken kunnen optimale bundelparen en precodeermatrices voorspellen met veel minder overhead dan traditionele methoden.

Toekomstige Outlook en integratie met 6G

De weg naar commerciële THz MIMO zal naar verwachting zich in het komende decennium ontvouwen.

Routekaart en tijdlijn

De eerste THz-implementaties zullen waarschijnlijk vaste punt-tot-punt links voor backhaul en vezelvervanging, misschien al in de ent-and-and-and-and-game2027. Mobiele THz MIMO voor consumentenapparaten wordt verwacht in de 6G-termijn (2030 verder). Pre-6G onderzoek richt zich nu op de ontwikkeling van efficiënte breedbandzenders, lage vermogen digitale verwerking, en innovatieve antennes. De 3GPP en IEEE zijn al het starten van studiegroepen op THz-radiointerfacetechnologieën.

Synergy met AI en herconfigureerbare intelligente oppervlakken

Kunstmatige intelligentie zal een cruciale rol spelen bij het beheer van de complexiteit van THz MIMO-systemen. Het optimaliseren van de bundelpatronen, coderingsschema's en de toewijzing van middelen. Herconfigureerbare intelligente oppervlakken (RIS) kunnen fungeren als passieve reflectoren om de dekking rond obstakels uit te breiden, waardoor niet-lijnige-zichtpaden worden gecreëerd die het bruikbare bereik van THz-verbindingen verdubbelen. Het combineren van RIS met massieve MIMO op het basisstation biedt een veelbelovende oplossing voor het dekkingsprobleem.

Milieu- en gezondheidsoverwegingen

De THz-straling is niet-ioniserend en heeft een lagere fotonenenergie dan zichtbaar licht. Echter, blootstelling aan hoge vermogen kan thermische effecten veroorzaken. Onderzoek naar de veiligheidslimieten is gaande, maar de energieniveaus in communicatiesystemen zijn veel lager dan die welke schade zouden veroorzaken. De korte afstand en hoge directiviteit verminderen ook het risico van blootstelling aan de mens. Milieu-implicaties, zoals energieverbruik van dichte antennearrays, worden bestudeerd om een duurzame inzet te garanderen.

Conclusie: Een nieuw tijdperk van connectiviteit

Terahertz MIMO communicatie staan op het snijpunt van extreme bandbreedte en geavanceerde antenne verwerking. De technologie belooft datasnelheden die dwerg huidige normen, waardoor toepassingen die ooit het spul van science fiction waren. Echter, de weg naar wijdverbreide adoptie is steil, met aanzienlijke uitdagingen in propagatieverlies, hardware, algoritmen en regelgeving. Toch het tempo van onderzoek is bemoedigend; doorbraken in CMOS THz circuits, hybride beamforming, en machine learning zijn gestaag het dichten van de kloof tussen theorie en praktijk. Als de draadloze industrie beweegt naar 6G, THz MIMO zal ongetwijfeld een van de belangrijkste kenmerken, transformeren van onze digitale leven met ongekende snelheid, veiligheid en intelligentie.