Wat zijn de belangrijkste uitdagingen voor de implementatie van THz-technologie in draadloze communicatie?

De terahertz (THz)-frequentieband biedt veelbelovende mogelijkheden voor toekomstige draadloze communicatie, dankzij de hoge datasnelheden en breedbandcapaciteiten die het kan bieden. Deze technologie heeft echter te maken met verschillende technische en operationele uitdagingen die de praktische toepassing ervan bemoeilijken. Deze uitdagingen moeten worden overwonnen om de volledige potentie van THz-communicatie te benutten.

Een van de belangrijkste obstakels is het verlies van signaalsterkte bij het gebruik van THz-golven. De hogere frequenties in de THz-band zijn bijzonder gevoelig voor absorptie en reflectie door materialen die veel voorkomen in de omgeving waarin ze opereren. Dit kan leiden tot een aanzienlijke vermindering van het signaal en faseverstoringen, wat de communicatiekwaliteit negatief beïnvloedt. Dit probleem vereist zeer precieze positionering en afstemming van de communicatieapparatuur om optimale prestaties te garanderen.

Daarnaast is de ontwikkeling van antennes en zenders/ontvangers voor THz-NFC (Near Field Communication) een grote uitdaging. Deze apparaten moeten niet alleen zeer gericht zijn, maar ook in staat zijn om efficiënte communicatie te behouden over de korte afstanden die typisch zijn voor NFC-interacties. De integratie van deze hoge-frequentiecomponenten in compacte formaten die geschikt zijn voor consumentenelektronica brengt extra moeilijkheden met zich mee op het gebied van productiecomplexiteit en kosten.

Om deze uitdagingen aan te pakken, worden er verschillende innovatieve oplossingen onderzocht. Zo bieden metamaterialen en plasmonische technologieën veelbelovende mogelijkheden om de efficiëntie van koppeling te verbeteren en compacte antennesystemen te ontwikkelen. Deze materialen kunnen worden ontworpen met unieke elektromagnetische eigenschappen die de effecten van misalignments en omgevingsinterferentie kunnen verminderen. Daarnaast wordt er onderzoek gedaan naar nieuwe modulatie- en foutcorrectiemechanismen die specifiek zijn afgestemd op de propagatiekenmerken van de THz-band, om de dataintegriteit en de robuustheid van communicatie in NFC-toepassingen te verbeteren.

De ontwikkeling van halfgeleiderapparaten die in staat zijn om op THz-frequenties te werken, kan ook bijdragen aan het oplossen van het energieverbruikprobleem. Siliciumtechnologieën worden bijvoorbeeld verder verfijnd om efficiëntere transceivers te creëren die geschikt zijn voor draagbare elektronica. Naarmate THz-technologie zich verder ontwikkelt, wordt verwacht dat de symbiose van computationele modellering, innovatieve materialen en geavanceerde productietechnieken de huidige beperkingen van THz-NFC zal overwinnen, waardoor het potentieel voor veilige gegevensoverdracht, draadloze energieoverdracht en meer kan worden ontsloten.

Naast de technische uitdagingen zijn er ook obstakels op het gebied van standaardisatie en regelgeving. Het gebrek aan gestandaardiseerde protocollen voor THz-communicatie vormt een belemmering voor de brede acceptatie en commercialisering van de technologie. Dit betreft onder andere de toewijzing van spectrums, transmissieprotocollen en veiligheidsnormen. Verschillende organisaties, zoals de International Telecommunication Union (ITU) en IEEE, werken actief aan het definiëren van normen die de operationele parameters, interoperabiliteit en beveiliging van THz-communicatiesystemen kunnen waarborgen.

Tegelijkertijd zijn er inspanningen om THz-communicatieprotocols te testen en te ontwikkelen, wat van cruciaal belang is voor de versnelling van de ontwikkeling van draadloze netwerken op basis van THz-technologie. Het open-source netwerk simulatieplatform TeraSim, ontwikkeld door het UN Lab, biedt de onderzoekscommunity de mogelijkheid om THz-netwerkprotocollen te evalueren zonder zich te verdiepen in de complexiteit van de fysische en kanaallagen. Dit platform is een belangrijke stap in het verbeteren van de testomgevingen en het versnellen van de ontwikkeling van THz-gebaseerde netwerken.

Het is belangrijk te begrijpen dat de technische uitdagingen voor THz-communicatie aanzienlijk zijn, maar niet onoverkomelijk. Ongoing onderzoek en innovatie zullen deze obstakels aanpakken en tegelijkertijd nieuwe technologieën ontwikkelen die niet alleen de huidige problemen oplossen, maar ook de basis leggen voor toekomstige vooruitgangen in draadloze communicatie. THz-communicatie heeft het potentieel om een sleutelrol te spelen in de netwerken van de toekomst, met toepassingen variërend van veilige gegevensoverdracht en draadloze energieoverdracht tot geavanceerde industriële en medische toepassingen.

Hoe faseverschuiving en energieverbruik de prestaties van IRS beïnvloeden

Faseverschuiving speelt een cruciale rol in het afstemmen van de effectieve capaciteit of weerstand van een Intelligent Reflecting Surface (IRS), wat onvermijdelijk de reflectie-amplitude verandert. Eenvoudig gezegd, wanneer de faseverschuiving nul nadert, worden de reflecterende stromen gelijk aan de stromen in het element zelf. Dit verhoogt zowel het elektrische veld als de stroom in het element, wat resulteert in maximale energieafgifte en de laagste reflectie-amplitude. Aan de andere kant, wanneer de faseverschuiving benadert tot π of -π, zullen de reflecterende stromen zich tegengesteld gedragen ten opzichte van de elementstromen, wat leidt tot een afname van het elektrische veld en de stroom in het element. Dit zorgt voor minimaal energieverlies en de hoogste reflectie-amplitude. Dit analytische IRS-reflectiemodel komt overeen met de experimentele bevindingen die gedocumenteerd zijn in [9]. De relatie tussen de reflectie-amplitude en faseverschuiving heeft een aanzienlijke invloed op het ontwerp van optimale reflectiecoëfficiënten voor IRS-elementen.

Hoewel een IRS theoretisch passief is, vereist het in de praktijk wel degelijk energie. IRS reflecteert simpelweg signalen zonder deze te versterken, maar het verbruikt nog steeds energie om de reflecterende elementen af te stemmen en om de slimme controller in stand te houden. Bij het gebruik van PIN-diodes om faseverschuivingen in de reflecterende elementen van een IRS aan te passen, wordt er geen energie verbruikt wanneer de diode is uitgeschakeld. Wanneer de diode echter ingeschakeld is, verbruikt deze een specifieke hoeveelheid energie, zoals bijvoorbeeld 0,33 milliwatt (mW) volgens [10] of 50 microwatt (µW) volgens [11].

In vergelijking met de energieverbruik van actieve antennes zoals XL-MIMO en multi-antenna relaisystemen is het energieverbruik van IRS echter aanzienlijk lager en kan dit doorgaans verwaarloosd worden voor vergelijkingsdoeleinden. De energieconsumptie van de slimme controller is echter afhankelijk van de specifieke implementatie van het circuit, zoals bijvoorbeeld FPGA's, en de communicatie-modules die worden gebruikt. Zo verbruikt een IRS-controller met 256 reflecterende elementen ongeveer 0,72W, zoals gerapporteerd in [10], wat aanzienlijk minder is dan die van actieve basisstations of relais die normaal in de praktijk worden gebruikt. Dit maakt IRS-systemen energie-efficiënter dan de actieve relais die momenteel in draadloze netwerken worden gebruikt.

In de prestatieanalyse van een enkel IRS-ondersteund single-input single-output (SISO) systeem wordt een scenario beschreven waarin een bronnode S met een enkele antenne communiceert met een doelnode D, eveneens met een enkele antenne. Dit gebeurt via een IRS die L elementen bevat. Er is geen direct pad tussen de knooppunten S en D vanwege kunstmatige of natuurlijke obstakels. Het doel van de IRS is om instelbare faseverschuivingen te bieden, die door een communicatiegericht softwareprogramma worden aangestuurd, ervan uitgaande dat de IRS perfect op de hoogte is van de kanaalfasen voor beide hops.

Het kanaalmodel wordt gekarakteriseerd door langzame variaties en vlakke fading, wat resulteert in de formule voor het basisbandequivalent van het ontvangen signaal op de bestemming, zoals aangegeven in formule [4.7]. Hierbij zijn de complexe kanaalcoëfficiënten hl en gl de respectieve kanaalcoëfficiënten tussen node S en het l-de reflecterende element en tussen het l-de reflecterende element en node D. De variabelen φl vertegenwoordigen de instelbare faseverschillen, terwijl x het datasymbool is. Het resultaat wordt beïnvloed door additieve witte Gaussische ruis (AWGN), gekarakteriseerd door een nulgemiddelde en een variantie N0.

Wanneer we de maximale SNR willen bereiken, is de optimale keuze voor φl gegeven door φl = θl + ψl voor l = 1, 2, …, L. Dit leidt tot een gemaximaliseerde SNR, die als volgt kan worden uitgedrukt: ∣∑L l=1 αlβl ∣² Et / N0. Dit levert de optimale reflectiecoëfficiënt op die de gecombineerde signaalsterkte maximaliseert. Voor de prestatieanalyse moeten we de kansdichtheidsfunctie (PDF) en de cumulatieve distributiefunctie (CDF) van de SNR γ benaderen.

Wanneer de reflecterende oppervlakken L voldoende groot zijn (d.w.z. L >> 1), kan de centrale limietstelling (CLT) worden toegepast, wat de kansvariabele B als een normaal verdeelde variabele modelleert. Hierdoor kan de PDF van B worden uitgedrukt, en de bijbehorende CDF kan worden afgeleid. Het gebruik van de CLT maakt het mogelijk om de prestaties van een IRS-ondersteund systeem beter te begrijpen, vooral bij grotere aantallen reflecterende elementen.

Materialen en theorieën die belangrijk zijn bij de analyse van IRS-systemen:

Bij het ontwikkelen van een IRS-systeem moet men niet alleen de faseverschuivingen en energieverbruik begrijpen, maar ook de statistische eigenschappen van het kanaal. Dit is van essentieel belang om de prestatie van het systeem te optimaliseren, vooral als de reflecterende oppervlakken zich in een realistische omgeving bevinden met complexe fading. Het gebruik van de centrale limietstelling en de Laguerre-serie uitbreiding voor benaderingen van de SNR zijn krachtige technieken om de prestaties van het systeem in dergelijke omstandigheden te modelleren.