Realizing Ultra-Massive MIMO (1024×1024) communication in the (0.06-10) Terahertz band

Die steigende Nachfrage nach höherer Bandbreite und höherer Geschwindigkeit der drahtlosen Kommunikation motiviert die Erforschung höherer Frequenzbänder. Das Terahertz (THz)-Band (0,06-10 THz) wird als einer der Hauptakteure angesehen, um die Nachfrage nach solchen höheren Bandbreiten und Datenraten zu erfüllen. Die verfügbare Bandbreite bei THz-Frequenzen geht jedoch mit einem wesentlich höheren Ausbreitungsverlust einher. Aufgrund der begrenzten Leistung kompakter Festkörper-THz-Transceiver führt dies zu sehr kurzen Kommunikationsdistanzen von etwa einem Meter. In diesem Beitrag wird das Konzept der ultra-massiven Multiple-Input-Multiple-Output-Kommunikation (UM MIMO) vorgestellt, mit dem sich die Kommunikationsdistanz und die erreichbare Kapazität von THz-Kommunikationsnetzen erhöhen lassen. Die sehr geringe Größe von plasmonischen Nanoantennen im THz-Bereich, die die Eigenschaften von Nanomaterialien und Metamaterialien nutzen, ermöglicht die Entwicklung von sehr großen plasmonischen Arrays auf sehr kleiner Grundfläche. Für Frequenzen im Bereich von 0,06-1 THz ermöglichen Metamaterialien den Entwurf plasmonischer Antennenarrays mit Hunderten von Elementen auf wenigen Quadratzentimetern (z. B. 144 Elemente auf 1 cm2 bei 60 GHz). Im 1-10-THz-Band können plasmonische Nanoantennen-Arrays auf Graphenbasis mit Tausenden von Elementen auf wenigen Quadratmillimetern eingebettet werden (z. B. 1024 Elemente auf 1 mm2 bei 1 THz). Die resultierenden Arrays können sowohl für die Übertragung als auch für den Empfang genutzt werden (z.B. 1024×1024 UM MIMO bei 1 THz), um verschiedene Modi zu unterstützen, von rasiermesserscharfer UM-Strahlformung bis zu UM-Raummultiplexing sowie Multiband-Kommunikationsverfahren. Nach einer Einführung in die Haupteigenschaften von plasmonischen Nanoantennen-Arrays werden die Funktionsweisen von UM MIMO vorgestellt und vorläufige Ergebnisse geliefert, um das Potenzial dieses Paradigmas zu verdeutlichen. Abschließend werden offene Herausforderungen und mögliche Lösungen für die UM MIMO-Kommunikation beschrieben.