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

De toenemende vraag naar hogere bandbreedte en hogere snelheid van draadloze communicatie motiveert de verkenning van hogere frequentiebanden. De Terahertz (THz) band (0.06-10 THz) wordt gezien als een van de belangrijkste spelers om aan de vraag naar dergelijke hogere bandbreedte en datasnelheden te voldoen. De beschikbare bandbreedte bij THz-frequenties gaat echter ten koste van een veel groter propagatieverlies. Door de vermogensbeperkingen van compacte solid-state THz transceivers resulteert dit in zeer korte communicatieafstanden van ongeveer één meter. In dit artikel wordt het concept van Ultra-Massieve Meervoudige Ingang Meervoudige Uitgang (UM MIMO) communicatie geïntroduceerd als een manier om de communicatieafstand en de haalbare capaciteit van THz-band communicatienetwerken te vergroten. De zeer kleine afmetingen van THz plasmonische nano-antennes, die gebruik maken van de eigenschappen van nanomaterialen en metamaterialen, maken de ontwikkeling mogelijk van zeer grote plasmonische arrays in zeer kleine footprints. Voor frequenties in het 0,06-1 THz-bereik maken metamaterialen het ontwerp mogelijk van plasmonische antenne-arrays met honderden elementen op enkele vierkante centimeters (b.v. 144 elementen op 1 cm2 bij 60 GHz). In de 1-10 THz band kunnen op grafeen gebaseerde plasmonische nano-antennes met duizenden elementen worden ingebed in enkele vierkante millimeters (b.v. 1024 elementen in 1 mm2 bij 1 THz). De resulterende arrays kunnen zowel in transmissie als in ontvangst worden gebruikt (b.v. 1024×1024 UM MIMO bij 1 THz) om verschillende modes te ondersteunen, van haarscherpe UM beamforming tot UM spatial multiplexing, alsook multi-band communicatieschema’s. Na een introductie van de belangrijkste eigenschappen van plasmonische nano-antennes worden de werkingsmodi van UM MIMO voorgesteld, en worden voorlopige resultaten gegeven om het potentieel van dit paradigma te belichten. Tenslotte worden open uitdagingen en mogelijke oplossingen om UM MIMO-communicatie mogelijk te maken beschreven.