ΑΠΛΗ ΜΥΗΣΙΣ ΕΣ ΔΟΡΥΦΟΡΙΚΑΣ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (z)

(συνέχεια από  11/02/23)

2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΣΕ THZ
   ΣΥΧΝΟΤΗΤΕΣ
   2.1 Εισαγωγικά
   Η κίνηση των ασύρματων δεδομένων έχει αυξηθεί εκθετικά τα τελευταία χρόνια, κάτι
   που συνεπάγεται και την αυξανόμενη ζήτηση για ασύρματες ζεύξεις υψηλότερων
   ταχυτήτων. Την τελευταία δεκαετία, η κίνηση των ασύρματων δεδομένων έχει αυξηθεί
   δραστικά λόγω της αλλαγής με την οποία η σύγχρονη κοινωνία δημιουργεί, μοιράζεται
   και καταναλώνει τις πληροφορίες. Αυτή η αλλαγή έχει ακολουθηθεί από μία αυξανόμενη
   ζήτηση για ασύρματες επικοινωνίες υψηλότερων ταχυτήτων οπουδήποτε και ανά πάσα
   χρονική στιγμή. Ακολουθώντας αυτή την τάση, ασύρματες υπερ-ευρυζωνικές ζεύξεις
   στα 100 Gbps ή ακόμα και Tbps γίνονται πραγματικότητα. Η εισαγωγή προηγμένων
   λύσεων φυσικού στρώματος, και σημαντικότερα, νέων συχνοτικών ομάδων είναι
   απαραίτητη για να υποστηριχθεί αυτός ο υψηλός ρυθμός μετάδοσης στα μελλοντικά
   τηλεποικοινωνιακά συστήματα. Μεταξύ άλλων, η μπάντα των Terahertz (0.06 – 10 THz)
   έχει βρεθεί ως μία από τις υποσχόμενες συχνοτικές μπάντες που θα προσφέρει
   επικοινώνιες πολύ υψηλών ταχυτήτων. Η συχνοτική αυτή ομάδα προσφέρει ένα πολύ
   ευρύ εύρος ζώνης, το οποίο ποικίλει από δεκάδες GHz εώς και αρκετά THz, ανάλογα με
   την απόσταση εκπομπής.
   Η ζώνη συχνοτήτων Terahertz (THz) κυμαίνεται από 0,1 έως 10 THz, η οποία είναι η
   τελευταία έκταση του ραδιοφάσματος και γενικά θεωρείται ως Terahertz Gap. Η ζώνη
   Terahertz είναι ορατή ώστε να μπορεί να παρέχει ταχύτητα δεδομένων έως και Tbps για
   να ικανοποιήσει εξαιρετικά υψηλή απόδοση, χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση και
   εντελώς νέα σενάρια εφαρμογής για το 6G. Το πρώτο έργο στο IEEE 802 προς 100
   Gbps, IEEE 802.15d, εγκρίθηκε τον Μάρτιο του 2014, αν και δεν υπάρχει εμπορικό
   σχέδιο βασισμένο σε αυτό το πρότυπο. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά της ζώνης
   terahertz, όπως η μεγάλη απώλεια διαδρομής, η διασπορά κ.λ.π. Θέτουν πολλές νέες
   προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν πριν επιτευχθούν οι σύνδεσμοι Tbps
   (Terabit/s). Τα κύρια χαρακτηριστικά της ζώνης terahertz είναι τα εξής:
   (1) Τεράστια εύρη ζώνης (> 50 GHz) διαθέσιμα στις συχνότητες THz,
   (2) Σοβαρή απώλεια διαδρομής ακόμη και για διάδοση ελεύθερου χώρου, π.χ. ~
   100 dB στα 300 GHz στην απόσταση των 10 m,
   (3) Υπερβολική εξασθένηση λόγω συντονισμού των μορίων στον αέρα. Ωστόσο,
   υπάρχουν αρκετά ατμοσφαιρικά παράθυρα, π.χ. 140, 220, 340GHz όπου η εξασθένηση
   λόγω συντονισμού μορίων είναι μόλις περίπου 2 dB / km, αμελητέα σε σύγκριση με την
   εξασθένηση του ελεύθερου χώρου. Πρέπει να σημειωθεί ότι, όταν η συχνότητα
   υπερβαίνει το 1 THz, το ασύρματο κύμα υφίσταται σημαντική απορρόφηση από ατμούς
   νερού και οξυγόνου στην ατμόσφαιρα και μπορεί να εξασθενίσει δέκα φορές σε
   απόσταση διάδοσης 1 m.
   (4) Ευαισθησία σε σκιές και αποκλεισμό λόγω της ήπιας διάθλασης σε τόσο μικρό
   μήκος κύματος. Για παράδειγμα, η εξασθένηση σήματος του τούβλου είναι τόσο υψηλή
   όσο 40-80 dB και το ανθρώπινο σώμα μπορεί να προκαλέσει εξασθένηση σήματος 20-
   35 dB.
   (5) Λιγότερη ευαισθησία στην υγρασία / βροχόπτωση, π.χ., η εξασθένηση γίνεται
   σχετικά επίπεδη πάνω από τα 100 GHz.
   (6) εξαιρετικά γρήγορη διακύμανση καναλιών και διακοπτόμενη σύνδεση, π.χ. ο
   χρόνος συσχέτισης της ζώνης terahertz είναι πολύ σύντομος και η συχνότητα Doppler
   είναι πολύ μεγάλη.
   
   (7) Ευρεία χρήση πολύ κατευθυντικών κεραιών (~ 25 dBi).
   (8) Εξαιρετικά υψηλή στιγμιαία ισχύς επεξεργασίας. Μία σημαντική πρόκληση στη
   χρήση πολύ μεγάλων κεραιών είναι η κατανάλωση ισχύος της μετατροπής συστήματος
   ευρείας ζώνης terahertz (A/D). Η κατανάλωση ενέργειας είναι γενικά ανάλογη με το
   ρυθμό δειγματοληψίας και αυξάνεται εκθετικά με τον αριθμό δειγματοληψίας ανά bit.
   Ωστόσο, η κατασκευή των εξαρτημάτων THz έχει γίνει πιο ώριμη και ορισμένα εμπορικά
   προϊόντα είναι σε θέση να εκπέμπουν ισχύ 0 – 10 dBm στα 300 GHz. Αναμένεται ότι
   μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη ισχύς εξόδου στο εγγύς μέλλον. Επιπλέον, τα απλά
   σχήματα διαμόρφωσης (π.χ. BPSK, QPSK) θα ήταν επαρκή για υψηλές ταχύτητες
   δεδομένων (> 100 GBit / s), δεδομένων των τεράστιων εύρους ζώνης των ταινιών THz
   τουλάχιστον στο πρώτο στάδιο. Ως εκ τούτου, οι επικοινωνίες terahertz έχουν την
   ευκαιρία να εφαρμοστούν στην εποχή 6G και μπορούμε να προσβλέπουμε στην
   περαιτέρω βελτίωση των επιδόσεων με ορισμένες βασικές τεχνολογικές καινοτομίες.
   Τα σενάρια επικοινωνίας terahertz μπορούν να ταξινομηθούν κυρίως σε: δίκτυα μακρο-,
   μικρο- και νανο-κλίμακας. Τα δίκτυα μεγάλης κλίμακας χρησιμοποιούνται κυρίως για
   εφαρμογές στις οποίες το εύρος μετάδοσης κυμαίνεται από περίπου 10 μέτρα έως λίγα
   χιλιόμετρα. Τα δίκτυα μικρής κλίμακας είναι συνήθως για τις εφαρμογές με περιορισμένο
   εύρος μετάδοσης (λιγότερο από λίγα μέτρα, π.χ. ≤ 10m). Τα δίκτυα νανο-κλίμακας είναι
   πιο κατάλληλα για τις επικοινωνίες σε απόσταση μικρότερη από 1 μέτρο ή εκατοστά. Τα
   δίκτυα μεγάλης κλίμακας προορίζονται κυρίως για υπαίθρια σενάρια και οι τυπικές
   εφαρμογές μπορούν να περιλαμβάνουν τη σύνδεση φορητού, backhaul / fronthaul και
   ούτω καθεξής. Αυτές οι εφαρμογές θα απαιτούν ευρύτερη κάλυψη (π.χ., 10 m έως λίγα
   χιλιόμετρα) και υψηλή απόδοση (έως 1 Tbps) με χαμηλή λανθάνουσα κατάσταση (π.χ.
   < 1 ms).
   Όσον αφορά τα δίκτυα μικρής κλίμακας, μπορούν να ταξινομηθούν περαιτέρω σε
   σενάρια εξωτερικού και εσωτερικού χώρου. Για εσωτερικά σενάρια, μπορούν να
   υποστηρίξουν τις εφαρμογές που απαιτούν κινητικότητα καθώς και εφαρμογές με
   σταθερές συνδέσεις σημείων ή πολλαπλών σημείων, όπως εσωτερικά μικρά κελιά,
   WPAN (Wireless Personal Area Network), ασύρματες συνδέσεις σε Data Centers και
   Near-Field Επικοινωνίες (NFC). Ενώ για υπαίθρια σενάρια, οι εφαρμογές μπορούν να
   περιλαμβάνουν οχήματα, μικρά κελιά και σύνδεση backhaul. Και οι εξωτερικές
   εφαρμογές είναι διαφορετικές από το εσωτερικό περιβάλλον, γεγονός που οφείλεται σε
   μεγάλο βαθμό σε φαινόμενα αντανακλάσεων και σκέδασης με απώλεια διαδρομής και
   απορρόφησης. Επομένως, αυτά τα σενάρια εσωτερικού και εξωτερικού χώρου
   απαιτούν διαφορετικά μοντέλα διάδοσης, αντίστοιχα, για να αντιπροσωπεύουν
   διαφορετικά εμπόδια, σκέδαση και ατμοσφαιρικές απώλειες.
   Το δίκτυο νανο-κλίμακας είναι μια ολοκαίνουργια τοπολογία δικτύου κατάλληλη για
   εξαιρετικά σύντομο μήκος κύματος. Σε δίκτυο νανο-κλίμακας, η επικοινωνία είναι
   συνήθως για την απόσταση που κυμαίνεται από 1 μέτρο ή εκατοστά (π.χ. συνδέσεις
   μεταξύ μικροσκοπικών συσκευών, συνδέσεις on-chip και chip-to-chip, επικοινωνίες
   εντός σώματος). Οι κύριες προκλήσεις περιλαμβάνουν το νέο σχεδιασμό πομποδέκτη
   για συσκευές νανο-κλίμακας, μοντέλα καναλιών για τα νέα περιβάλλοντα δικτύων νανοκλίμακας, λύσεις φυσικών επιπέδων, συμπεριλαμβανομένων των σχημάτων
   κωδικοποίησης καναλιών και διαμόρφωσης, και πρωτοκόλλων επικοινωνίας. Εκτός από
   τα παραπάνω τρία επίγεια σενάρια, οι επικοινωνίες στο διάστημα είναι επίσης
   σημαντικά σενάρια επικοινωνιών terahertz, τα οποία έχουν εφαρμοστεί εδώ και πολλά
   χρόνια στον τομέα της διαστημικής επιστήμης. Στον εξωτερικό χώρο, το κύμα terahertz
   έχει σχετικά διαφανή ατμοσφαιρικά παράθυρα, όπως τα 350, 450, 620, 735 και 870
   microns. Η μετάδοση θα είχε μικρή απορρόφηση από την υγρασία, έτσι ώστε η
   επικοινωνία μεγάλων αποστάσεων να είναι εφικτή στο terahertz. Αν και η τεχνολογία
   επικοινωνίας terahertz εξελίσσεται ταχύτατα στους τομείς των αρχιτεκτονικών
   πομποδέκτη, των υλικών, του σχεδιασμού της κεραίας, της μέτρησης της διάδοσης, της
   μοντελοποίησης καναλιών και των τεχνικών φυσικής στρώσης, υπάρχουν ακόμα
   πολλές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν πριν οι συνδέσεις Tbps καταστούν
   πρακτικές.

2.2 Κίνητρο για THz Επικοινώνιες
Εκτός της TΗz συχνοτικής μπάντα επκοινωνίας, αρκετές άλλες εναλλακτικές εξετάζονται
για να ικανοποιήσουν την ζήτηση.
 Στα συστήματα επικοινωνιών σε συχνότητες κάτω των 5 GΗz, προηγμένες ψηφιακές
διαμορφώσεις όπως η Τεχνική ορθογώνιας πολυπλεξίας διαίρεσης συνχότητας
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM) και προηγμένα επικοινωνιακά
σχήματα, όπως πολύ μεγάλης κλίμακας συστήματα Πολλαπλών Εισόδων Πολλαπλών
Εξόδων (Multiple Input Multiple Output – MIMO) χρησιμοποιούνται για να επιτύχουν
πολύ υψηλές φασματικές αποδοτικότητες. Ωστόσο, η έλλειψη διαθέσιμου εύρους ζώνης
περιορίζουν τους ρυθμούς μετάδοσης που μπορούν να επιτευχθούν. Για παράδειγμα,
στα Long-Term Evolution Advanced (LTE-A) δίκτυα, οι μέγιστοι ρυθμοί μετάδοσης της
τάξης του 1 Gbps είναι εφικτοί σε αθροιστικό εύρος ζώνης πάνω από 100 MHz. Αυτό
είναι τρεις τάξεις μεγέθους κάτω από το επιθυμητό για τις ζεύξεις σε Tbps.
 Τα συστήματα επικοινωνιών σε χιλιοστομετρικές συχνότητες, όπως αυτά στα 60 GHz,
έχουν κερδίσει πολύ έδαφος τα τελευταία χρόνια εξαιτίας της ικανότητας τους να
υποστηρίζουν πολύ υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης, της τάξης των 10 Gbps, με κόστος
την περιορισμένη απόσταση μετάδοσης. Ο τρόπος για να βελτιωθούν αυτοί οι ρυθμοί
δεδομένων περιλαμβάνει την ανάπτυξη πιο πολύπλοκων δομών πομποδεκτών, ικανών
να εφαρμόσουν λύσεις φυσικού στρώματος με πολύ υψηλότερη φασματική
αποδοτικότητα. Ωστόσο, τελικά, το χρησιμοποιούμενο εύρος ζώνης περιορίζεται να
είναι λιγότερο των 10 GHz, το οποίο αναπόφευκτα θέτει ένα άνω όριο στους
επιτεύξιμους ρυθμούς μετάδοσης.
 Συστήματα επικοινωνίας Οπτικής Ελευθέρου Χώρου (Free Space Optical – FSO), τα
οποία λειτουργούν σε υπέρυθρες (IR) συχνότητες και πάνω, ανακαλύπτονται ως ένας
τρόπος να βελτιωθούν οι επιτεύξιμοι ρυθοί μετάδοσης στα ασύρματα δίκτυα. Το
εγγενώς πολύ διαθέσιμο εύρος ζώνης σε αυτές τις υψηλές συχνότητες λειτουργεί υπέρ
τους. Από την άλλη μεριά, τα χαμηλά επίπεδα εκπομπόμενης ισχύος εξαιτίας των
περιορισμών για την προστασία των ματιών, η επίδραση διαφόρων ατμοσφαιρικών
φαινομένων στη διάδοση του σήματος (όπως ομίχλη, βροχή σκόνη ή ρύπανση), και το
μέγεθος και η ανάγκη για αυστηρή ευθυγράμμιση μεταξύ πομπού και δέκτη,
περιορίζουν τους επιτεύξιμους ρυθμούς μετάδοσης ή την πρακτικότητα των FSO
συστημάτων για κινητά και προσωπικά ασύρματα δίκτυα.
Αντίθετα, η συχνοτική ομάδα των THz προσφέρει ένα πολύ μεγαλύτερο εύρος ζώνης,
το οποίο ποικίλει από δεκάδες GHz μέχρι αρκετά THz ανάλογα με την απόσταση
μετάδοσης [1]. Το διαθέσιμο εύρος ζώνης είναι περισσότερο από μία τάξη μεγέθους
πάνω από τα πιο σύγχρονα συστήματα χιλιοστομετρικών κυμάτων, ενώ η συχνότητα
λειτουργίας είναι τουλάχιστον μία τάξη μεγέθους κάτω από αυτή των FSO συστημάτων.
Η τεχνολογία που απαιτείται για να γίνει πραγματικότητα η επικοινωνία στην μπάντα
των THz αναπτύσσεται ραγδαία εξίσου. Επιπρόσθετα σε όσα αναφέρθηκαν, οι
συχνότητες στα THz δεν εχουν ακόμα υπαχθεί σε κανονισμούς. Σε όρους ευρύτερης
επίπτωσης, η THz τεχνολογία έχει πρόσφατα αναγνωριστεί από την DARPA ως ένας
από τους τέσσερις μεγαλύτερους τομείς έρευνας οι οποίοι θα μπορούσαν να έχουν
επίδραση στην κοινωνία μεγαλύτερη από το ίδιο το Internet.

(ΣΥΝΕΧΙΖΕΤΑΙ)

pagan , https://repository.kallipos.gr/  ,  xanthippi.ceid.upatras.gr ,https://pergamos.lib.uoa.gr/ ,