COMSOL Simulation for Adaptive Massive MIMO Systems in the Terahertz Band

Abstract

[ANGLÈS] The communications in the Terahertz Band (0.06-10 THz) are a promising new paradigm for wireless communications in the next decade. Their large available bandwidth, combined with the development of graphene antennas, characterized by their reduced dimensions, will enable establishing systems in environments that were very limited until this moment due to technological limitations, such as nanocommunications, as well as will help to solve the overwhelming occupation of the electromagnetic spectrum, which limits tha capacity for wireless communications. The novelty of this technology implies the need for studying and improving diverse aspects of the sistems, such as the channel characteristics, the transmitters and receivers, the modulation and the associated protocols, among others. New models and solutions should be developed and investigated to be applied in the Terahertz context. Furthermore, in the last years the use of multiple antennas for transmission and reception, known as MIMO, has been extensively studied, for applications in increasing capacity, improving the signal-to-noise ration or saving energy by concentrating the power in particular directions. When the number of transmitting or receiving elements is increased to the order of hundreds, we name it Massive MIMO. In this work we have studied the applications of Massive MIMO in the Terahertz Band. First, we develop diverse configurations to concentrate the power in a narrow angle through the use of beamforming, and thus prevent the high path losses that these frequencies produce. Then, we analyze the use of a single antenna with several subarrays to offer multiple beams, with the aim of serving more than one user or providing diversity, along with the corresponding study of the interference impact over the capacity. Finally, we present configurations that enable working in different frequencies and we discuss the improvement achieved in capacity, as well as the reduction of possible interferences.

[CASTELLÀ] Las comunicaciones en la banda de Terahertz (0.06-10 THz) promete ser el nuevo paradigma de comunicaciones inalámbricas en la próxima década. Su amplísimo ancho de banda, combinado con el desarrollo de antenas de grafeno de dimensiones muy reducidas, permitirá establecer sistemas en entornos hasta ahora muy limitados por la tecnología existente, tales como las nanocomunicaciones, y además ayudará a solventar el problema de sobreocupación del espectro, que acota la capacidad de los enlaces sin cables. La novedad de esta tecnología conllevará la necesidad de estudiar y mejorar diversos aspectos de los sistemas, tales como las características del canal, los transmisores y receptores, la modulación y los protocolos asociados, entre otros. Se deben investigar y desarrollar nuevos modelos y soluciones para ser aplicados en el contexto de los Terahertz. Por otro lado, en los últimos años se ha estudiado extensamente el uso de múltiples antenas en transmisión y recepción, conocido como MIMO, y sus aplicaciones para incrementar la capacidad de los sistemas, combatir el ruido y ahorrar energía mediante la concentración de potencia en determinadas direcciones. Cuando el número de elementos transmisores y receptores crece hasta el orden de las centenas, MIMO pasa a denominarse Massive MIMO. En este trabajo estudiaremos las aplicaciones del uso de Massive MIMO en la banda de los Terahertz. En primer lugar, se desarrollaran diversas configuraciones para concentrar la potencia mediante beamforming, y así combatir las altas pérdidas de propagación que se producen a estas frecuencias. A continuación, se analiza el uso de una antena para ofrecer diversos haces de potencia, con el objetivo de servir a más de un usuario, con el correspondiente estudio del impacto de interferencias sobre la capacidad. Por último, se presentan configuraciones que permiten trabajar a distintas frecuencias y se discute la mejora de capacidad disponible, además de la reducción de posibles interferencias.

[CATALÀ] Les comunicacions a la banda dels Terahertz (0.06-10 THz) prometen ser el nou paradigma de comunicacions inalàmbriques a la propera dècada. El seu enorme ample de banda, combinat amb el desenvolupament d'antenes de grafè de dimensions molt reduïdes, permetrà establir sistemes en entorns fins ara molt limitats per la tecnologia existent, tals com les nanocomunicacions, i a més a més ajudarà a solventar el problema de sobreocupació de l'espectre, que fita la capacitat dels enllaços sense cables. La novetat d'aquesta tecnologia implicarà la necessitat d'estudiar i millorar diversos aspectes dels sistemes, tals com les característiques del canal, els transmissors i receptors, la modulació i els protocols associats, entre d'altres. Se deuen investigar i desenvolupar nous models i solucions per ser aplicats al context dels Terahertz. D'altra banda, als darrers anys s'ha estudiat extensament l'ús de múltiples antenes en transmissió i recepció, conegut com MIMO, i llurs aplicacions per incrementar la capacitat dels sistemes, combatre el soroll i estalviar energia mitjançant la concentració de potència en determinades direccions. Quan el nombre d'elements transmissors i receptors creix fins a l'ordre de les centenes, MIMO passa a denominar-se Massive MIMO. En aquest treball estudiarem les aplicacions de l'ús de Massive MIMO a la banda dels Terahertz. En primer lloc, se desenvolupen diverses configuracions per concentrar la potència mitjançant beamforming, i així combatre les altes pèrdues de propagació que es produeixen a aquestes freqüències. A continuació, s'analitza l'ús d'una antena amb diversos subarrays per oferir més d'un feix de potència, i poder servir a més d'un usuari o possibilitar la diversitat, acompanyat del corresponent estudi de l'impacte de les interferències sobre la capacitat. Finalment, es presenten configuracions que permeten treballar a diferents freqüències i es discuteix la millora de capacitat disponible, així com la reducció de possibles interferències.