Hoe kan communicatie op terahertzfrequenties de toekomst van netwerken en apparaten transformeren?

De opkomst van terahertzcommunicatie (THz) belooft aanzienlijke verbeteringen in dataoverdrachtssnelheden en connectiviteit voor een breed scala aan toepassingen, van datacenters tot voertuigen en medische technologieën. Met frequenties die tot wel 300 GHz of meer kunnen reiken, biedt THz-communicatie enorme bandbreedte, waardoor het ideaal is voor scenario’s die een grote hoeveelheid gegevens snel moeten verwerken. De snelheid van THz-communicatie kan oplopen tot 100 Gbps en zelfs veel hoger, wat het bijzonder geschikt maakt voor toepassingen die enorme hoeveelheden informatie in real-time vereisen, zoals 6G-netwerken en internet der dingen (IoT).

Een van de grootste voordelen van THz-communicatie is de mogelijkheid om draadloze verbindingen te bieden die vergelijkbare snelheden bereiken als glasvezelverbindingen. Dit kan vooral gunstig zijn in stedelijke omgevingen waar het aanleggen van fysieke glasvezelkabels logistiek uitdagend of kostbaar is. In plaats van de traditionele kabelgebaseerde infrastructuur, kunnen THz-verbindingen eenvoudig tussen verschillende locaties in een stad of gebouw worden opgezet, met snelheden die tot de terabit-per-seconde reiken.

Communicatie in Datacenters

Intra-apparaatcommunicatie

Moderne apparaten worden steeds complexer, wat de behoefte aan efficiënte gegevensoverdracht tussen hun interne componenten vergroot. THz-draadloze communicatie binnen apparaten biedt een oplossing voor deze uitdaging. De communicatie gebeurt over zeer korte afstanden, vaak slechts enkele centimeters, wat de antennadesign vereenvoudigt. Dit maakt THz geschikt voor toepassingen waarbij de communicatiebehoeften van verschillende apparaten met elkaar verbonden moeten worden, bijvoorbeeld in smartphones, computers of zelfs wearables. De mogelijkheid om zowel LoS als NLoS-multipadverstrooiing binnen het apparaat te accommoderen, vergemakkelijkt de interne communicatie zonder al te strikte richtlijnen voor de antenneplaatsing.

Draadloze Backhaul en Fronthaul

Toepassingen in Hoge Snelheidstreinen en Voertuigen

Met betrekking tot de high-speed treincommunicatie (HST) bieden THz-golven de mogelijkheid om datatransmissie van 100 Gbps te ondersteunen tussen de trein en de infrastructuur, wat bijdraagt aan breedbandtoegang in treinen. De communicatie binnen de trein, bijvoorbeeld tussen passagiers en toegangspunten, kan eveneens profiteren van de grote bandbreedte die THz-frequenties bieden. De vermogensvereisten voor propagatie en de antenneontwerpen variëren afhankelijk van de toepassing, waarbij in sommige gevallen ook millimeter-golfbanden worden ingezet om een hogere gebruikersdichtheid te ondersteunen.

In voertuigen biedt de communicatie via THz-golven (Vehicle-to-Everything, V2X) mogelijkheden voor een intelligent netwerk dat grote hoeveelheden gegevens met lage latentie kan verwerken. In toepassingen zoals coöperatief rijden en gegevensoverdracht tussen voertuigen in drukke netwerken is deze technologie bijzonder geschikt, omdat de kortere propagatieafstanden en de noodzaak voor precieze richtingscommunicatie essentieel zijn voor een veilig en efficiënt systeem.

IoT en Sensornetwerken

Voor het internet der dingen (IoT) en sensornetwerken biedt THz-communicatie aanzienlijke voordelen. Het IoT, bestaande uit miljarden apparaten, vereist robuuste netwerken die grote hoeveelheden gegevens kunnen verwerken. Met zijn uitzonderlijke bandbreedte is THz-technologie ideaal voor het ondersteunen van deze applicaties, die steeds intensiever worden in termen van datavolume. Toepassingen in slimme steden, industriële IoT (IIoT) en intelligente transportsystemen profiteren van de lage latentie en hoge snelheid van THz-communicatie, wat realtime gegevensverwerking en -overdracht mogelijk maakt.

Daarnaast biedt THz-golven voordelen voor veilige en privécommunicatie. Door de richtingsgevoeligheid van de golven kunnen ze effectiever omgaan met blokkeringen en kunnen ze een meer verfijnde lokalisatie en tracking mogelijk maken. Dit is bijzonder waardevol voor toepassingen in gevoelige omgevingen, zoals de gezondheidszorg, waar de bescherming van gegevens van groot belang is.

In de medische technologie kan THz-communicatie worden ingezet voor nanonetworks die communiceren op submillimeterniveau binnen het menselijk lichaam. Hierbij is de afstemming van het kanaalmodel van cruciaal belang, omdat de communicatie-eigenschappen van menselijke weefsels, zoals verstrooiing en verlies, zorgvuldig moeten worden gemodelleerd. Deze benadering opent de deur naar toepassingen zoals in-vivo communicatie voor medische nanomachines.

Belangrijke Overwegingen

Wat is het belang van het SCMA-systeem in communicatie en hoe kan het de prestaties verbeteren?

In moderne communicatie- en draadloze netwerken worden efficiënte technieken toegepast om meerdere gebruikers tegelijkertijd via gedeelde kanalen te laten communiceren. Een van de veelbelovende methoden hiervoor is de Sparse Code Multiple Access (SCMA), die gebruik maakt van een onorthogonale toewijzing van middelen, waardoor het mogelijk is om meerdere signalen efficiënt te ontvangen en te decoderen, zelfs bij een beperkte hoeveelheid beschikbare frequentiebronnen.

Het SCMA-systeem is ontworpen om meerdere gebruikers met verschillende codeboeken te laten communiceren. Elk codeboek bestaat uit een aantal symbolen die kunnen worden toegewezen aan verschillende gebruikers. Wanneer een gebruiker een signaal verzendt, wordt dit gecombineerd met de signalen van andere gebruikers om een samengesteld transmissiesignaal te vormen. Dit resulteert in een meer complex maar efficiënt gebruik van de beschikbare bronnen, vooral in scenario’s waarbij de hoeveelheid gebruikers (J) groter is dan het aantal middelen (K), wat de zogenaamde overbelasting factor creëert.

Bij het ontvangerstation van de j-de gebruiker wordt het ontvangen signaal uitgedrukt als een som van de signalen van de verschillende gebruikers, samen met ruis. Dit wordt wiskundig weergegeven door de som van de codewoorden van alle gebruikers, die door de kanalen heen worden gecommuniceerd met ruiscomponenten. De aanwezigheid van interferentie van andere gebruikers vereist dat we technieken toepassen voor signalen die efficiënt gedetecteerd en gedecodeerd kunnen worden, zelfs wanneer meerdere gebruikers dezelfde bron delen.

Een van de belangrijkste technieken voor het detecteren van signalen in SCMA is het gebruik van Maximum Likelihood Detection (MLD). Dit biedt een nauwkeurige manier om te bepalen welk signaal er is verzonden door de gebruiker, maar de rekenkundige complexiteit neemt toe met de grootte van het codeboek, wat de behoefte aan optimalisatie vergroot. Alternatief kan Message Passing Algorithm (MPA) worden gebruikt voor signaalherkenning in SCMA-systemen. MPA is gebaseerd op een factorgraph, die de berichten over verschillende knooppunten in het systeem doorgeeft en updates uitvoert op basis van de ontvangen signalen. MPA wordt als efficiënter beschouwd in SCMA vanwege de spreiding van de codeboeken van de gebruikers, die het mogelijk maakt om met minder rekenkundige belasting effectieve signaalherkenning uit te voeren.

De rol van de MPA in SCMA-systemen wordt verder versterkt door het gebruik van een normering van de berichten in elke iteratie om numerieke instabiliteit te voorkomen. Dit maakt het mogelijk om grotere codeboeken te gebruiken zonder dat de prestaties aanzienlijk verslechteren. Bovendien heeft het SCMA-systeem de mogelijkheid om gebruikers te ondersteunen die data via slechts twee niet-zero middelen sturen, wat bijdraagt aan de efficiëntie van de gebruikte bronnen.

De prestaties van het SCMA-systeem kunnen verder worden geanalyseerd door de symbolen foutratio (SER) en bit error rate (BER) in verschillende omgevingen, zoals de Rayleigh fading channel, te onderzoeken. Bij overbelasting van de bronnen, zoals wanneer het aantal gebruikers groter is dan het aantal beschikbare middelen, kan de prestatie van het systeem aanzienlijk achteruitgaan. Dit probleem kan worden verminderd door het gebruik van systemen met een lager overbelastingsfactor, zoals de 9x6 SCMA-configuratie, die betere prestaties levert dan de 6x4 configuratie, vooral door de afname van botsingen tussen symbolen van verschillende gebruikers.

Bij SCMA is het dus niet alleen de techniek van het MPA die cruciaal is voor het verbeteren van prestaties in het detecteren van signalen, maar ook de manier waarop de codeboeken van de gebruikers zijn gestructureerd. De spreiding van de codeboeken zorgt ervoor dat er meer gebruikers efficiënt gebruik kunnen maken van dezelfde middelen, waardoor de algehele communicatiecapaciteit van het systeem toeneemt.