УДК: 535.3

Многопутевая модель распространения и анализ пропускной способности терагерцового канала связи внутри помещений

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

C. Liu, C. Wang, J.C. Cao Multipath propagation channel modeling and capacity analysis for terahertz indoor communications (Многопутевая модель распространения и анализ пропускной способности терагерцового канала связи внутри помещений) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 1. С. 74–84.

C. Liu, C. Wang, J.C. Cao Multipath propagation channel modeling and capacity analysis for terahertz indoor communications (Многопутевая модель распространения и анализ пропускной способности терагерцового канала связи внутри помещений) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2017. V. 84. № 1. P. 74–84.

Ссылка на англоязычную версию:

C. Liu, C. Wang, and J. C. Cao, "Multipath propagation channel modeling and capacity analysis for terahertz indoor communications," Journal of Optical Technology. 84(1), 53-61 (2017). https://doi.org/10.1364/JOT.84.000053

Аннотация:

Перспективы практического применения терагерцовых систем сверхскоростной беспроводной связи внутри помещений требуют разработки унифицированной и корректной модели канала связи. Предложена детерминистская многопутевая модель канала распространения сигнала, базирующаяся на теории рассеяния Кирхгофа и методике трассировки лучей, включающая модели распространения излучения по линии визирования, а также отраженные и рассеянные компоненты, и учитывающая особенности терагерцового излучения. Обсуждается новая методология, позволяющая на основе предложенной модели каналов распространения количественно оценивать работоспособность системы. Проведено сравнение численных расчетов с результатами экспериментальных измерений. Результаты демонстрируют достоверность предложенной модели, выявлена важность учета вклада путей распространения излучения вне пределов прямой видимости, в особенности рассеянных компонент. Полностью исследованы также пространственные характеристики терагерцового излучения для различных типов и схем управления антенной и формирования пучка. Наконец, детально проанализированы пропускная способность канала и эффекты расплывания и запаздывания. Продемонстрирован огромный потенциал – более 20 Гбит/с – сверхвысокоскоростной беспроводной связи внутри помещений в терагерцовом диапазоне.

Ключевые слова:

многопутевое распространение, терагерцовая связь, трассировка лучей, теория рассеяния Кирхгофа, пропускная способность канала связи

Благодарность:

Работа выполнена при поддержке Национальной программы основных исследований Китая (грант № 2014CB339803), Национального фонда естественных наук Китая (гранты №№ 61131006, 61321492, 61204135), Ведущго национального проекта по развитию научных приборов и оборудования (грант № 2011YQ150021), Ведущего национального научно-технологического проекта (грант № 2011ZX02707), Крупного проекта (грант № YYYJ-1123-1), Международной программы сотрудничества и инноваций в области производства высокоподвижных материалов Китайской академии наук и Муниципальной комиссии Шанхая по науке и технологиям (грант № 14530711300).

Коды OCIS: 080.1510, 290.5880, 060.4510

Список источников:

1. Song H.J., Nagatsuma T. Present and future of terahertz communications // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. V. 1. № 1. P. 256–263.
2. Federici J., Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. № 11. P. 1–22.
3. Piesiewicz R., Kleine-Ostmann T., Krumbholz N., Mittleman D., Koch M., Schoebei J., Kürner T. Short-range ultra-broadband terahertz communications: Concepts and perspectives // IEEE Antennas Propag. Mag. 2007. V. 49. № 6. P. 24–39.
4. Jastrow C., Münter K., Piesiewicz R., Kürner T., Koch M., Kleine-Ostmann T. 300 GHz transmission system // Electron. Lett. 2008. V. 44. № 3. P. 213–215.

5. Nagatsuma T., Song H.J., Fujimoto Y., Miyake K., Hirata A., Ajito K., Wakatsuki A., Furuta T., Kukutsu N., Kado Y. Giga-bit wireless link using 300–400 GHz bands // Int. Top. Meet. Microw. Photonics. 2009. P. 57–60.
6. Song H.J., Ajito K., Muramoto Y., Wakatsuki A., Nagatsuma T., Kukutsu N. 24 Gbit/s data transmission in 300 GHz band for future terahertz communications // Electron. Lett. 2012. V. 48. № 15. P. 953–954.
7. Song H.J., Kim J., Ajito K., Yaita M., Kukutsu N. Fully integrated ASK receiver MMIC for terahertz communications at 300 GHz // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2013. V. 3. № 4. P. 445–452.
8. Song H.J., Kim J., Ajito K., Kukutsu N., Yaita M. 50-Gb/s DIRECT сonversion QPSK modulator and demodulator MMICs for terahertz communications at 300 GHz // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2014. V. 62. № 3. P. 600–609.
9. Schneider T., Wiatrek A., Preussler S., Grigat M., Braun R.P. Link budget analysis for terahertz fixed wireless links // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2012. V. 2. № 2. P. 250–256.
10. Saleh A.M., Valenzuela R.A. A statistical model for indoor multipath propagation // IEEE J. Sel. Areas Commun. 1987. V. 5. № 2. P. 128–137.
11. Spencer Q., Rice M., Jeffs B., Jensen M. A statistical model for angle of arrival in indoor multipath propagation // IEEE 47th Vehicular Technology Conf. 1997. V. 3. P. 1415–1419.
12. Chong C.C., Tan C.M., Laurenson D.I., McLaughlin S., Beach M.A., Nix A.R. A new statistical wideband spatio-temporal channel model for 5-GHz band WLAN systems // IEEE J. Sel. Areas Commun. 2003. V. 21. № 2. P. 139–150.
13. Jornet J.M., Akyildiz I.F. Channel modeling and capacity analysis for electromagnetic wireless nanonetworks in the terahertz band // IEEE Trans. Wirel. Commun. 2011. V. 10. № 10. P. 3211–3221.
14. Piesiewicz R., Kleine-Ostmann T., Krumbholz N., Mittleman D., Koch M., Kurner T. Terahertz characterisation of building materials // Electron. Lett. 2005. V. 41. № 18. P. 1002–1004.
15. Piesiewicz R., Jansen C., Wietzke S., Mittleman D., Koch M., Kürner T. Properties of building and plastic materials in the THz range // Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2007. V. 28. № 5. P. 363–371.
16. Piesiewicz R., Jansen C., Mittleman D., Kleine-Ostmann T., Koch M., Kürner T. Scattering analysis for the modeling of THz communication systems // IEEE Trans. Antennas Propag. 2007. V. 55. № 11. P. 3002–3009.
17. Jansen C., Priebe S., Möller C., Jacob M., Dierke H., Koch M., Kürner T. Diffuse scattering from rough surfaces in THz communication channels // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. V. 1. № 2. P. 462–472.
18. Choi Y., Choi J.W., Cioffi J.M. A geometric-statistic channel model for THz indoor communications // J. Infrared Millim. Terahertz Waves. 2013. V. 34. № 7. P. 456–467.
19. Moldovan A., Ruder M.A., Akyildiz I.F., Gerstacker W.H. LOS and NLOS channel modeling for terahertz wireless communication with scattered rays // Globecom 2014 Work. Commun. High. Freq. Bands. 2014. P. 388–392.
20. Han C., Bicen A.O., Akyildiz I.F. Multi-ray channel modeling and wideband characterization for wireless communications in the terahertz band // IEEE Trans. Wirel. Commun. 2015. V. 14. № 5. P. 2402–2412.
21. Priebe S., Jacob M., Jastrow C., Kleine-Ostmann T., Schrader T., Kürner T. A comparison of indoor channel measurements and ray tracing simulations at 300 GHz // 35th Int. Conf. Infrared, Millimeter, Terahertz Waves. 2010.
22. Chen Z., Cao J.C. Channel characterization at 120 GHz for future indoor communication systems // Chinese Phys. B. 2013. V. 22. № 5. P. 059201.
23. Priebe S., Jastrow C., Jacob M., Kleine-Ostmann T., Schrader T., Kürner T. Channel and propagation measurements at 300 GHz // IEEE Trans. Antennas Propag. 2011. V. 59. № 5. P. 1688–1698.
24. Beckmann P., Spizzichino A. The scattering of electromagnetic waves from rough surfaces. Norwood, MA: Artech House, 1987. P. 80–98.
25. Ragheb H., Hancock E.R. The modified Beckmann-Kirchhoff scattering theory for rough surface analysis // Pattern Recognit. 2007. V. 40. № 7. P. 2004–2020.
26. Vernold C.L., Harvey J.E. A modified Beckmann-Kirchoff scattering theory for nonparaxial angles // Proc. SPIE. 1998. V. 3426. P. 51–56.
27. Priebe S., Jacob M., Jansen C., Kürner T. Non-specular scattering modeling for THz propagation simulations // 5th European Conf. on Antennas and Propagation. 2011. P. 1–5.
28. Lönnqvist A., Tamminen A., Mallat J., Räisänen A.V. Monostatic reflectivity measurement of radar absorbing materials at 310 GHz // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2006. V. 54. № 9. P. 3486–3490.
29. Sarkar T., Ji Z., Kim K. A survey of various propagation models for mobile communication // IEEE Antennas Propag. Mag. 2003. V. 45. № 3. P. 51–82.
30. Goldsmith A. Wireless communication. N.Y.: Cambridge University Press, 2005. P. 82–90.