Исследование потенциала беспроводных сетей Terahertz Mimo для будущих беспроводных сетей

Введение: следующий скачок в беспроводных коммуникациях

Неустанный спрос на более высокие скорости передачи данных, более низкую задержку и повсеместное подключение выталкивает беспроводные технологии за пределы частот микроволновой и миллиметровой волн. Сети пятого поколения (5G) в настоящее время развертываются, но их возможности в конечном итоге не соответствуют требованиям для таких приложений, как голографическое телеприсутствие, терабит-второй обратный путь и цифровые двойники в реальном времени. Поэтому исследователи обращаются к терагерцовой (ТГц) полосе - примерно от 0,1 до 10 ТГц - в качестве преобразующего ресурса для будущих беспроводных систем. Благодаря сочетанию частот ТГц с конфигурациями антенн с несколькими входами и высокой пропускной способностью (MIMO) становится возможным новый класс сверхскоростных, высокоскоростных коммуникационных линий высокой емкости. В этой статье исследуются основы, преимущества, проблемы и перспективы связи THz MIMO, технология, широко считающаяся краеугольным камнем для сетей шестого поколения (6G) и за его пределами.

В отличие от диапазонов суб-6 ГГц и миллиметровых волн, спектр ТГц предлагает на порядок большую полосу пропускания — потенциально сотни гигагерц. Однако использование этих частот требует преодоления серьезных потерь распространения и аппаратных ограничений. Методы MIMO, которые используют несколько антенн для передачи и приема независимых потоков данных, могут помочь компенсировать эти недостатки, обеспечивая пространственное разнообразие и мультиплексирование. Синергия между ТГц и MIMO не просто аддитивна; она открывает новые степени свободы в формировании луча, управлении лучами и пропускной способности канала, которые недостижимы на более низких частотах.

Понимание коммуникации Terahertz MIMO

Частотный диапазон Terahertz

Терагерцовая область лежит между микроволновым и инфракрасным спектрами, занимая частоты от 0,1 ТГц до 10 ТГц. Эта полоса давно исследована для спектроскопии, визуализации и зондирования, но только недавно она была серьезно рассмотрена для беспроводной связи. Основное притяжение — обилие неиспользуемого спектра. В то время как 5G использует миллиметровые полосы частот до 50 ГГц с полосами канала в несколько сотен мегагерц, системы ТГц могут использовать полосы пропускания канала, превышающие 100 ГГц, что позволяет использовать необработанные скорости передачи данных в сотнях гигабит или даже терабит в секунду.

Роль MIMO

Технология MIMO уже является основным продуктом современных беспроводных стандартов (4G, 5G, Wi-Fi 6/7). Она использует несколько антенн как на передатчике, так и на приемнике для одновременной передачи различных потоков данных по одному и тому же частотному ресурсу, тем самым повышая спектральную эффективность. В обычной MIMO с частотой до 6,6 ГГц антенны расположены на расстоянии половины длины волны, что при частоте 2,4 ГГц составляет около 6,25 см. При частотах THz длина волны сжимается до субмиллиметрового диапазона — для 1 ТГц длина волны составляет 0,3 мм. Эта миниатюризация позволяет упаковывать сотни или даже тысячи антенн в небольшой форм-фактор, что позволяет создавать массивные MIMO-решения, которые непрактичны на более низких частотах. Такие плотные массивы могут создавать чрезвычайно узкие, высоконаправленные лучи, которые борются с потерей пути и позволяют пространственное мультиплексирование в беспрецедентном масштабе.

Основные характеристики каналов MIMO THz

Распространение ТГц заметно отличается от более низких частот. В канале преобладают тяжелая потеря пути (пропорционально квадрату частоты), молекулярное поглощение (особенно водяным паром и кислородом) и сильное требование линии зрения (LOS). Дифракция слаба, а отражения часто являются зеркальными. Для внутренних сред канал становится разреженным в угловом домене, с несколькими доминирующими путями. Системы MIMO могут использовать эту разреженность для достижения высоких мультиплексирующих коэффициентов, если диафрагмы массива достаточно велики, чтобы разрешить эти пути. Однако огромная полоса пропускания также подразумевает, что канал частотно-селективный на очень узких расстояниях, требующих сложной обработки сигнала.

Преимущества Terahertz MIMO

THz MIMO предлагает ряд преимуществ, которые делают его привлекательным кандидатом для будущих беспроводных сетей. В следующих разделах подробно описаны основные преимущества.

Ультравысокие ставки данных

Огромная пропускная способность, доступная в полосе ТГц, является самым убедительным преимуществом. Например, система с полосой пропускания 100 ГГц теоретически может достигать скорости передачи данных, превышающей 100 Гбит/с на поток с простой модуляцией. При пространственном мультиплексировании с использованием больших массивов MIMO, агрегированные скорости в терабитах в секунду становятся осуществимыми. Эта емкость необходима для таких приложений, как беспроводные центры обработки данных, терабит-в секунду между маленькими ячейками и иммерсивной средой расширенной реальности (XR), требующей без потерь, видео с высокой частотой кадров.

Спектральная эффективность и пространственные мультиплексные прибыли

При массивных MIMO на частотах ТГц число пространственных потоков может резко масштабироваться. Теоретические исследования показывают, что в идеальных условиях LOS емкость растет линейно с количеством пар антенн, ограниченных только диафрагмой массива. Поскольку массивы ТГц могут быть чрезвычайно компактными (например, массив 10×10 мм может содержать тысячи элементов), пространственный мультиплексирующий коэффициент усиления на единицу площади намного превышает то, что возможно в микроволновой или миллиметровой волновой полосах. Это означает, что может передаваться больше бит в секунду на Герц, устраняя спектральную нехватку, которая поражает более низкие частоты.

Устройство Miniaturization

Крошечная длина волны на частотах ТГц позволяет изготавливать антенны на кристалле с использованием CMOS или передовых полупроводниковых процессов. Один чип может интегрировать большой фазированный массив с RF фронтальными компонентами, уменьшая общий размер и стоимость пользовательского оборудования. Эта миниатюризация является ключевым фактором для портативных устройств, носимых датчиков и узлов Интернета вещей (IoT), которые требуют высокой пропускной способности без громоздких антенных модулей.

Повышение безопасности и низкая вероятность перехвата

Лучи ТГц сильно направлены из-за малой ширины антенны. Подслушивающий аппарат, расположенный за пределами узкой основной доли, будет испытывать сильное падение сигнала. В сочетании с короткой дальностью связи ТГц (обычно от десятков до нескольких сотен метров), риск перехвата ниже, чем для всенаправленных или широколучевых систем. Это свойство делает МИМО ТГц привлекательным для безопасной связи в военных, финансовых или частных приложениях передачи данных.

Способности к лучевому формованию и лучевому регулированию

Массивное количество антенных элементов в матрицах MIMO THz обеспечивает формирование пучка высокого разрешения. Настраивая фазу каждого элемента, система может управлять чрезвычайно узкими лучами с исключительной точностью. Эта возможность имеет решающее значение для отслеживания мобильных пользователей и поддержания надежной связи в сценариях, не связанных с прямой видимости, если используется отраженный путь. Гибридные аналоговые цифровые архитектуры формирования пучка могут уменьшить количество требуемых радиочастотных цепей при сохранении гибкости, что делает MIMO THz практичным для реального развертывания.

Вызовы в системах Terahertz MIMO

Несмотря на обещание, THz MIMO сталкивается с грозными препятствиями, которые необходимо преодолеть до коммерциализации.Исследователи активно занимаются этими вопросами.

Высокий уровень распространения и поглощения

Потеря пути на частотах ТГц является экстремальной. Потеря пути свободного пространства (FSPL) увеличивается с квадратом частоты; на 1 ТГц FSPL на 60 дБ выше, чем на 1 ГГц на том же расстоянии. Кроме того, поглощение атмосферы - в первую очередь из водяного пара, кислорода и других молекул - вводит серьезные пики затухания, особенно на частотах около 0,56 ТГц и выше 1 ТГц. Например, на 1 ТГц потеря поглощения может превышать 10 дБ на метр во влажных условиях. Это ограничивает практический диапазон до десятков метров для внутренних линий и нескольких сотен метров в условиях наружного ясного воздуха. Будущие системы должны будут использовать высоконаправленные лучи, расширенное кодирование и, возможно, ретрансляционные узлы для расширения покрытия.

Проблемы с оборудованием и производством

Проектирование приемопередатчиков, которые могут эффективно работать на частотах ТГц, является серьезной инженерной задачей. Технология CMOS продвинулась до точки, где транзисторы могут переключаться на скоростях ТГц, но выходная мощность остается низкой (обычно субмилливатт) и показатели шума высоки. Усилители мощности страдают от низкого усиления и эффективности, ограничивая эффективную изотропную излучаемую мощность (EIRP). Заблокированные фазой петли и локальные осцилляторы требуют чрезвычайно высокой точности и низкого фазового шума. Антенные массивы также нуждаются в точной калибровке из-за взаимной связи и производственных допусков. Для повышения производительности исследуются передовые материалы, такие как графен, кремний-германий (SiGe) и фосфид индия (InP).

Сложная обработка сигналов и алгоритмический дизайн

Беспрецедентная пропускная способность и большие количества антенн предъявляют огромные вычислительные требования. Алгоритмы обработки сигналов для оценки канала, предварительного кодирования, обнаружения и формирования луча должны обрабатывать массивные MIMO с сотнями или тысячами антенн при работе с сотнями гигагерц полосы пропускания. Канал быстро меняется из-за мобильности пользователей и изменений окружающей среды, требующих адаптивных алгоритмов с низкой задержкой. Более того, частотная избирательность по широкой полосе пропускания делает ортогональное мультиплексирование частотного деления (OFDM) вычислительно дорогим. Исследователи разрабатывают гибридные методы формирования луча, сжатого зондирования и глубокого обучения для снижения сложности при сохранении производительности.

Пробелы в нормативных и стандартных положениях

Спектр ТГц пока не полностью выделен для коммерческой беспроводной связи. Международный союз электросвязи (МСЭ) и национальные регуляторы начинают открывать конкретные полосы (например, для услуг мобильной и фиксированной связи определены 252-296 ГГц и 275-450 ГГц). Однако всемирная гармонизация все еще находится на ранних стадиях. Органы по стандартизации, такие как IEEE 802.15.3d, определили стандарты связи ТГц для фиксированных линий связи между точками, но стандарты мобильной широкополосной связи для 6G все еще обсуждаются. Отсутствие установленных полос и процедур сертификации может замедлить исследования и коммерческие инвестиции.

Перспективные применения Terahertz MIMO

В сочетании с MIMO, THz-связь может обеспечить множество революционных приложений.

6G и другие мобильные сети

Ожидается, что 6G будет работать в диапазонах до 6 ГГц, ммВолн и ТГц. THz MIMO будет служить в качестве конечного усилителя емкости для небольших ячеек, беспроводного обратного пути и фиксированного беспроводного доступа. Его способность обеспечивать скорость передачи данных в несколько терабайт в секунду будет поддерживать экстремальную потоковую передачу видео высокой четкости, голографические дисплеи и критически важные для задержки облачные вычисления.

Беспроводные центры обработки данных и межсоединения Server Rack

В центрах обработки данных кабельное оборудование является узким местом для масштабируемости и управления теплом. Связи MIMO с частотой ТГц могут заменить громоздкие кабели высокоскоростными беспроводными соединениями между стойками и внутри стойок, снижая вес, требования к охлаждению и обслуживанию. Короткий диапазон в центре обработки данных (<10 м) облегчает проблемы потерь при распространении, а высокая направленность минимизирует помехи. Такие компании, как Facebook и Google, исследовали беспроводные соединения mmWave и THz для этой цели.

Погруженная расширенная реальность (XR)

Виртуальная реальность, дополненная реальность и смешанная реальность требуют чрезвычайно низкой задержки (<5 мс) и высокого разрешения (8K или более на глаз). Проводные соединения ограничивают движение, в то время как существующие беспроводные опции (Wi-Fi, 5G) не могут гарантировать необходимую пропускную способность. THz MIMO может передавать несжатое или слегка сжатое видео на легкие дисплеи, устанавливаемые на голове, что позволяет по-настоящему погружаться без кабелей.

Высокое разрешение сенсоров и изображений

Волны ТГц могут проникать во многие непроводящие материалы (одежда, пластмассы, картон) и обеспечивать визуализацию высокого разрешения за счет субмиллиметровых длин волн. МИСМО-решения могут синтезировать большие апертуры для радиолокационного зондирования, что позволяет проводить скрининг безопасности, промышленный контроль качества и биомедицинскую диагностику. Система МИМО ТГц может выполнять одновременную связь и зондирование (ISAC), что считается ключевой особенностью 6G.

Интернет вещей и умная среда

В то время как устройства IoT обычно требуют низкой мощности и низкой скорости передачи данных, некоторые приложения (например, видеодатчики с высоким разрешением, автономные взводы транспортных средств) требуют высокой пропускной способности. THz MIMO может служить в качестве обратной дороги для плотных кластеров IoT, а крошечные размеры антенн позволяют интегрироваться в датчики, дроны и носимые устройства. Кроме того, способность ощущать окружающую среду с теми же радиочастотными сигналами обеспечивает расширенную контекстную осведомленность для умных домов и заводов.

Современные исследования и прорывы

Исследования в области МИМО на частоте ТГц ускоряются, и за последние несколько лет было достигнуто несколько заметных достижений.

Рекордные демонстрации

В 2020 году исследователи из Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) сообщили о системе MIMO с частотой 300 ГГц, достигающей 100 Гбит/с на 20 метров (см. ] IEEE Xplore: 100 Гбит/с THz MIMO . Совсем недавно команда из Университета Хиросимы продемонстрировала однокристальный 1-ТГц передатчик со встроенными антеннами, способными к 10-см дальности и потоковому видео высокой четкости (см. ]Nature Scientific Reports: CMOS THz Transmitter ). Эти доказательства концепции показывают, что аппаратное обеспечение постепенно созревает.

Beamforming и инновации фазового сдвига

Гибридные лучеобразующие архитектуры являются горячей темой. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли представили фазированную матрицу MIMO с частотой 140 ГГц с использованием передовой технологии SiGe BiCMOS с 256 элементами, демонстрируя электронное управление ±40° (см. IEEE JSSC: 140 ГГц Фазированный массив ). Между тем, новые материалы, такие как графен, предлагают потенциал для более быстрой настройки и снижения энергопотребления в фазовых сдвигателях.

Моделирование каналов и машинное обучение

Точные модели каналов для MIMO THz имеют важное значение для проектирования системы. Европейский институт стандартов телекоммуникаций (ETSI) и ITU-R работают над стандартными моделями каналов для полосы THz. Исследователи используют машинное обучение для оценки каналов THz в реальном времени, компенсируя разреженность природы и быструю вариацию. Глубокие нейронные сети могут прогнозировать оптимальные пары лучей и предкодирующие матрицы с гораздо меньшими накладными расходами, чем традиционные методы.

Будущее и интеграция с 6G

Ожидается, что путь к коммерческому MIMO с частотой ТГц будет развиваться в течение следующего десятилетия.

Дорожная карта и график

Первоначальные развертывания THz, вероятно, будут фиксированными линиями связи между точками для обратного хода и замены волокон, возможно, уже в 2025–2027 гг. Ожидается, что мобильные MIMO THz для потребительских устройств в 6G-таймфрейме (2030 г.) В настоящее время исследования Pre-6G сосредоточены на разработке эффективных широкополосных приемопередатчиков, маломощной цифровой обработки и инновационных антенн. 3GPP и IEEE уже инициируют исследовательские группы по технологиям радиоинтерфейса THz.

Синергия с ИИ и реконфигурируемыми интеллектуальными поверхностями

Искусственный интеллект будет играть решающую роль в управлении сложностью систем MIMO THz - оптимизации моделей луча, схем кодирования и распределения ресурсов. Перенастраиваемые интеллектуальные поверхности (RIS) могут выступать в качестве пассивных отражателей для расширения покрытия вокруг препятствий, создавая пути нелинейного обзора, которые удваивают полезный диапазон каналов THz. Комбинирование RIS с массивной MIMO на базовой станции предлагает перспективное решение проблемы покрытия.

Экологические и медицинские соображения

Излучение ТГц неионизирующее и имеет более низкую энергию фотонов, чем видимый свет. Однако воздействие высокой мощности может вызвать тепловые эффекты. Исследования пределов безопасности продолжаются, но уровни мощности в системах связи намного ниже тех, которые могут причинить вред. Короткий диапазон и высокая направленность также снижают риск воздействия человека. Экологические последствия, такие как потребление энергии плотными антенными массивами, изучаются для обеспечения устойчивого развертывания.

Вывод: новая эра взаимосвязанности

Коммуникации Terahertz MIMO стоят на пересечении чрезвычайной полосы пропускания и передовой обработки антенн. Технология обещает скорость передачи данных, которая затмевает текущие стандарты, позволяя приложениям, которые когда-то были предметом научной фантастики. Однако путь к широкому распространению крут, со значительными проблемами в потере распространения, аппаратном обеспечении, алгоритмах и регулировании. Тем не менее, темпы исследований обнадеживают; прорывы в схемах CMOS THz, гибридном формировании луча и машинном обучении неуклонно сокращают разрыв между теорией и практикой. По мере того, как беспроводная индустрия движется к 6G, THz MIMO, несомненно, будет одной из его определяющих особенностей, трансформируя нашу цифровую жизнь с беспрецедентной скоростью, безопасностью и интеллектом.