Realizing Ultra-Massive MIMO (1024×1024) -viestinnän toteuttaminen (0.06-10) terahertsialueella

Korkeamman kaistanleveyden ja nopeamman langattoman viestinnän kasvava kysyntä motivoi korkeampien taajuuskaistojen tutkimiseen. Terahertsitaajuusalue (THz) (0,06-10 THz) on yksi keskeisistä toimijoista vastaamaan tällaisen suuremman kaistanleveyden ja tiedonsiirtonopeuden kysyntään. THz-taajuuksilla käytettävissä olevan kaistanleveyden hintana on kuitenkin paljon suurempi leviämishäviö. Kompaktien kiinteän olomuodon THz-lähettimien tehorajoitusten vuoksi tämä johtaa hyvin lyhyisiin, noin metrin pituisiin viestintäetäisyyksiin. Tässä artikkelissa esitellään UM MIMO (Ultra-Massive Multiple Input Multiple Output) -konsepti keinona kasvattaa THz-taajuuksien viestintäverkkojen viestintäetäisyyttä ja saavutettavissa olevaa kapasiteettia. Nanomateriaalien ja metamateriaalien ominaisuuksia hyödyntävien THz-plasmonisten nanoantennien hyvin pieni koko mahdollistaa hyvin suurten plasmonisten ryhmien kehittämisen hyvin pieneen tilaan. Taajuuksilla 0,06-1 THz:n alueella metamateriaalit mahdollistavat sellaisten plasmonisten antenniryhmien suunnittelun, joissa on satoja elementtejä muutamassa neliösenttimetrissä (esim. 144 elementtiä 1 cm2:ssa 60 GHz:n taajuudella). 1-10 THz:n taajuusalueella grafeenipohjaisia plasmonisia nanoantennirakenteita, joissa on tuhansia elementtejä muutamassa neliömillimetrissä (esim. 1024 elementtiä 1 mm2:ssa 1 THz:n taajuudella). Tuloksena syntyviä matriiseja voidaan hyödyntää sekä lähetyksessä että vastaanotossa (esim. 1024×1024 UM MIMO 1 THz:n taajuudella) eri tilojen tukemiseksi teräväpiirtoisesta UM-säteenmuodostuksesta UM-paikkamultipleksointiin sekä monikaistaisten viestintäjärjestelmien tukemiseksi. Plasmonisten nanoantennijoukkojen tärkeimpien ominaisuuksien esittelyn jälkeen esitellään UM MIMO:n toimintatilat ja annetaan alustavia tuloksia tämän paradigman mahdollisuuksien korostamiseksi. Lopuksi kuvataan avoimia haasteita ja mahdollisia ratkaisuja UM MIMO -viestinnän mahdollistamiseksi.