Terahertz-band communications at various atmospheric altitudes

Abstract

Terahertz (THz) bant iletişimi (0.1 - 10 THz), neredeyse tamamıyla kullanılmış olan mevcut 6 GHz alt bantlara kıyasla, çok büyük bant genişliği ve veri hız sunduğundan; potansiyel 5G ve 6G kablosuz sistemlerinin ötesinde büyük bir iletişim potansiyeli sunar. Geleneksel olarak, THz bandı, atmosferde bulunan su buharı molekülleri tarafından kullanılabilir. Bu moleküller, THz dalgalarının bulunduğu daha yüksek atmosferik irtifalarda, azalan büyük emilim kaybı nedeniyle, deniz seviyesinde kısa menzilli iletişim için kullanılmıştır. THz bandı, farklı hava araçları arasında daha çok tercih edilebilir. Bu çalışmada, ilk olarak, THz emilim kaybı gerçekçi bir şekilde hesaplanmış ve farklı iletim mesafeleri ve yönleri dikkate alınarak, çeşitli atmosferik irtifalarda THz bandı (0.75 - 10 THz) üzerinde yol kaybı analizi araştırılmıştır. Drondan - Drona (D-D), Jet uçağından - Jet uçağına (J-J), İnsansız Hava Aracından İnsansız Hava Aracına (İHA - İHA) ve Yakın Uzay Uydusundan Yakın Uzay Uydusuna (Y-Y) karşılık gelen dört pratik irtifa dikkate alınmıştır. Literatürde, deniz seviyesinde ölçüm yapan iki çalışmanın deneysel sonuçları karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Bu doğrulamanın ardından, her bir irtifa durumu ve ayarına karşı, gerçekçi THz bant iletim değerlerini elde etmek için `Satırdan Satıra Işınımlı Transfer Modelleri (SSITM)` kullanılmıştır. Sayısal sonuçlar, rakım arttıkça su buharıkonsantrasyonunun azaldığını ve THz bandı üzerinden iletişimin, deniz seviyesi iletişimine kıyasla daha uygun olduğunu göstermektedir. Ayrıca, THz bandı üzerinden toplam kullanılabilir bant genişliği sonuçları, J-J, İHA-İHA ve Y-Y iletişimi için; 8.218 THz, 9.142 THz ve 9.250 THz'lik üst sınırların, 2 km'lik iletim mesafesine kadar kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Ayrıca, THz bandı, farklı irtifa, yön ve mesafelerdeki hava araçları dikkate alınarak, gerçekçi hava ve kanal zayıflaması koşulları altında, ışın hizasızlığı ve çok yollu sönümleme nedeniyle aynı dört hava iletişimi için daha fazla araştırılmıştır. Her ikisi de atmosferik koşullardan oldukça etkilenen frekans seçici yol kazancı ve renkli gürültü spektrumları için Ortak Düz Bantları (ODB) hesaplamak amacıyla THz bandında hava iletişimi için bir kanal modeli önerilmiştir. EG (Eşit Güç) ve SD (Su Doldurma) tahsisi göz önünde bulundurularak, kapsamlı bir kapasite analizi sunulmuş ve zayıflama olmadığında, hava bağlantıları kapasitesinin, deniz seviyesi kapasitesinden birkaç kat daha büyük olduğunu gösterilmiştir. Hem önerilen hem de standart yaklaşımlar için, deniz seviyesi kapasitesi, dronlar için bir büyüklük sırasına göre artırılır. İHA'lar için üç katına çıkan jet uçağı senaryosu için iki katına çıktı ve uydu için başka bir büyüklük sırasına göre artırıldı. iletişim. Sönme senaryoları için ergodik kapasite hesaplandığında, sönüm etkisinin yüksek irtifalarda ortadan kalktığı gösterilmiştir. Deniz seviyesindeki ergodik kapasite, insansız hava aracından insansız hava aracına iletişim için bir büyüklük sırasına göre artırılır ve 10 m'de birkaç Tbps sağlarken, Jet uçakları ve İHA'lar arasında 10s Tbps'ye ulaşılabilir ve solma altında 1 km'deki uydular/küpatlar için birkaç 100s Tbps mümkündür. THz bandının hava iletişimi için umut verici bir alternatif olduğu. Sönümleme senaryoları için ergodik kapasite hesaplandığında, yüksek irtifalarda geniş haberleşme menzilleri için sönümleme etkisinin ortadan kalktığı gösterilmiştir. Ardından, THz bağlantı kapasitesini ve spektral verimliliği değerlendirmek için gerçek dünya D-Dhareketlilik izlerini de dikkate alan çeşitli gerçekçi hareketlilik senaryoları göz önünde bulundurulmuş ve böylece THz etkin D-D senaryolarını değerlendirilmiştir. THz bandı (0.75 - 4.4 THz) üzerinde kapasiteyi en üst düzeye çıkarmak için, maksimum kapasiteyi vaat eden THz dar bant kanallarını akıllıca seçen MaksAktif kanal seçim şemasını önerilmektedir. MaksAktif'i EG ve SD tahsislerini kullanarak, kapasite ve spektral verimlilik açısından ODB şeması ve Standart Dar Bant (SDB) şeması karşılaştırılmıştır. EG'li MaksAktif'in SD ile MaksActif ve SDB şemalarına iyi bir şekilde yaklaştığı ve EG ile ODB ve SDB'den açıkça daha iyi bir performans gösterdiği sonucuna varılmıştır.

Terahertz (THz) band (0.1-10 THz) communications shows a huge potential for the prospective beyond 5G and 6G wireless systems, as the band offers large bandwidth and data rates as compared to the existing sub 6 GHz bands, which are almost saturated. Traditionally, the THz band has been employed for the sea-level-short range communication, due to the large absorption loss the THz waves experience by the water vapor molecules present in the atmosphere, which decreases across higher atmospheric altitudes, where the communication over the THz band can be highly leveraged among various practical aerial vehicles. In this dissertation, first, we investigate path loss over the THz band (0.75-10 THz) at various atmospheric altitudes, ranges and directions by realistically calculating the THz absorption loss. Four practical altitudes are considered, corresponding to Drone-to-Drone (Dr2Dr), Jet plane-to-Jet plane (J2J), Unmanned Aerial Vehicle-to-Unmanned Aerial Vehicle (U2U), and near-space Space-to-Space (S2S) communications. Following comparison and validation with two real-world experimental results from the literature measured at the sea-level, Line by Line Radiative Transfer Model (LBLRTM) is used to obtain realistic THz transmittance values for each altitude case and setting. Numerical results show that as the altitude increases, the water vapor concentration decreases, enabling the communication over the THz band to be more feasible as compared to the sea-level communication. Moreover, the total usable bandwidth results over the THz band exhibit that the upper bounds of 8.218 THz, 9.142 THz and 9.250 THz are usable up to the transmission distance of 2 km for J2J, U2U and S2S communication cases, respectively. Next, the THz band is further explored for the identical four aerial communications at the practical altitudes, variable directions and distances, under realistic weather and channel fading conditions, due to beam misalignment and also multi path fading. A channel model for aerial communications at THz band is proposed to calculate the common flat bands (CFB) for frequency-selective path gain and the colored noise spectrums, both of which are highly affected by the atmospheric conditions. An extensive capacity analysis is presented, considering equal power (EP) and water-filling (WF) allocation, showing that when there is no fading, capacity for aerial links is several orders of magnitude larger than the sea-level capacity. For both the proposed CFB and the Standard (STD) approaches, the sea-level capacity is enhanced by an order of magnitude for the drones, which is doubled for the jet plane scenario, which is further tripled for UAVs, which is again increased by another order of magnitude for the satellite communications. When ergodic capacity is computed for the fading scenarios, it is shown that the impact of fading vanishes at higher altitudes. Sea-level ergodic capacity is increased by an order of magnitude for drone-to-drone communications, providing several Tbps at 10 m, while 10s of Tbps is achievable among jet planes and UAVs, and several 100s of Tbps is possible for satellites/cubesats at 1 km under fading, suggesting that THz band is a promising alternative for aerial communications. Then, we consider various realistic mobility scenarios of THz-enabled Dr2Dr links over the THz band (0.75-4.4 THz), also incorporating real drone mobility traces. Additionally, we consider real THz antennas over the THz band (0.75-4.4 THz) under various drone mobility scenarios for evaluating the true potential of utilizing the THz band among drone communications. For maximizing the capacity, we propose a channel selection scheme, MaxActive, which intelligently selects THz narrowband channels promising the maximum capacity. Then, we propose a joint process of channel selection, beamwidth adjustment and power control for the capacity maximization. Based on this joint process, we compare the MaxActive scheme with the CFB scheme as well as the STD narrowband scheme in terms of capacity and spectral efficiency using both WF and EP allocations. It is inferred that the beamwidth misalignment highly affects the THz band Dr2Dr communication. Moreover, the link performance of the MaxActive scheme even with EP approaches the MaxActive and STD schemes with WF, while clearly outperforming CFB and STD with EP.