ВКР Исследование свойств терагерцевого диапазона частот для организации беспроводных соединений

Настоящее время характеризуется стремительным и прогрессирующим
развитием технологий. Ещё несколько лет назад человечество легко удивлялось
возможности установления сотовой связи по мобильному телефону, а теперь эта
технология плотно вошла в жизнь человека и стала её неотъемлемой частью.
Сегодня трудно себе представить человека, вышедшего из дома без смартфона. Это
показывает, что искусственный интеллект и информационные технологии тесно
внедрились в нашу повседневную жизнь. Вместе с этим, для дальнейшего развития
новых и уже имеющихся технологий (мобильной связи, высокоскоростного
интернета и т. д.) требуются новые скорости, которых нет даже в сетях пятого
поколения (5G).
Сети 6G – это инновационная и еще не до конца изученная технология, и
одной из её важных особенностей, привлекающая внимание очень многих
исследователей, является терагерцевый диапазон частот. Недавние разработки в
области полупроводников и фотоники привлекли внимание к этому диапазону как к
средству передачи данных со скоростью до 1 терабит/секунду в сетях 6G.
Терагерцевым излучением называется электромагнитное излучение в
интервале частот от 0,3 до 10 ТГц, т.е. 0,3⋅1012 – 10⋅1012 Гц (длина волны 1 мм – 30
мкм) [1]. Терагерцевый диапазон имеет ряд важных преимуществ, например он
рассматривается как возможный фактор, обеспечивающий сверхвысокую скорость
передачи данных в сетях шестого поколения (6G), ведь, действительно, часть
спектра, которая идет от 100 ГГц до 10 ТГц, представляет собой широкие участки
неиспользованной полосы пропускания для связи и зондирования.
При этом всё же возникают коммуникационные и сетевые проблемы при
организации соединения в терагерцевом диапазоне из-за высоких потерь при
распространении сигнала, и, кроме того, высокой молекулярной абсорбции в
определенных диапазонах частот. Более того, терагерцевые сигналы не проникают
через обычные материалы (например, кирпич, строительный раствор, человеческое
тело) и, таким образом, блокируются, а также даже небольшие смещения
терагерцевых устройств могут стать причиной разрыва соединения.

Оглавление
Список сокращений ........................................................................................................... 3
Список обозначений .......................................................................................................... 5
Введение ............................................................................................................................. 8
1. Особенности беспроводных систем связи терагерцевого диапазона частот . 12
1.1. Основные характеристики терагерцевого диапазона частот ......................... 12
1.2. Эффект молекулярной абсорбции в системах связи терагерцевого диапазона
частот ............................................................................................................... 14
2. Математическая модель обслуживания пользовательских устройств в
системах связи терагерцевого диапазона частот ............................................... 18
2.1. Описание системной модели ............................................................................ 18
2.2. Математическая модель .................................................................................... 23
2.3. Математическая модель для анализа влияния молекулярной абсорбции на
спектральную эффективность системы ........................................................ 35
3. Численный анализ основных показателей эффективности системы
терагерцевого диапазона ..................................................................................... 40
3.1. Анализ вероятности отсутствия связи и эргодической спектральной
эффективности ................................................................................................ 42
3.2. Анализ эффекта молекулярной абсорбции на показатели качества
обслуживания системы .................................................................................. 45
Заключение ....................................................................................................................... 47
Литература........................................................................................................................ 49
Приложение 1. Листинг программной реализации для расчета зависимости
спектральной эффективности от коэффициента молекулярной абсорбции .............. 52

Оригинальность по АП.Вуз на 27 февраля 2023 года более 70%.
В выпускной квалификационной работе бакалавра изучены основные
свойства терагерцевого диапазона частот, влияющие на эффективность
установления скоростных соединений в сетях 6G. Исследована технология
мультисвязности, позволяющая переключать соединение с одной базовой станции
на другую при блокировке линии прямой видимости. Разработана математическая
модель организации беспроводного соединения в сетях терагерцевого диапазона для
трех вариантов проектирования схем поиска луча в условиях влияния эффекта
микромобильности и молекулярной абсорбции. Разработана математическая модель
для анализа влияния эффекта молекулярной абсорбции на спектральную
эффективность системы терагерцевого диапазона. Был проведен численный анализ
зависимости спектральной эффективности и вероятности разрыва соединения от
плотности блокаторов, степени мультисвязности и коэффициента абсорбции.

1. Царев М. В. Генерация и регистрация терагерцового излучения
ультракороткими лазерными импульсами: Учебное пособие. – Нижний
Новгород: Нижегородский госуниверситет. 2011.
2. I. F. Akyildiz, C. Han, & S. Nie. Combating the Distance Problem in the Millimeter
Wave and Terahertz Frequency Bands // IEEE Commun. Mag., vol. 56, no. 6, pp.
102–108. June 2018.
3. I. F. Akyildiz, J. M. Jornet, & C. Han. Terahertz band: Next frontier for wireless
communications // Physical Communication, vol. 12, pp. 16 – 32. September 2014.
4. Polese, M., Jornet, J., Melodia, T. & Zorzi, M. Toward End-to-End, Full-Stack 6G
Terahertz Networks // IEEE Communications Magazine, 58(11), 48-54.
May 2020.
5. Смирнов С. Поле битвы — терагерц: как технология 6G становится
геополитическим водоразделом // Интернет-издание “The Bell”. 2021
https://thebell.io/pole-bitvy-teragerts-kak-tehnologiya-6g-stanovitsya-
geopoliticheskim-vodorazdelom.
6. Ignacio Llatser, Albert Mestres, Sergi Abadal, Eduard Alarc´on, Heekwan Leey &
Albert Cabellos-Aparicio. Time- and Frequency-Domain Analysis of Molecular
Absorption in Short-Range Terahertz Communications // IEEE Antennas and
Wireless Propagation Letters, 14, 350-353. January 2015.
7. R. Piesiewicz, T. Kleine-Ostmann, N. Krumbholz, D. Mittleman, M. Koch, J.
Schoebei, & T. Kurner. Short-Range Ultra-Broadband Terahertz Communications:
Concepts and Perspectives // IEEE Antennas and Propagation Magazine, vol. 49,
no. 6, pp. 24–39. December 2007.
8. J. Jornet and I. Akyildiz. Channel Modeling and Capacity Analysis for
Electromagnetic Wireless Nanonetworks in the Terahertz Band // IEEE
Transactions on Wireless Communications, vol. 10, no. 10, pp. 3211– 3221. 2011.
9. B. A. Bilgin, H. Ramezani, & O. B. Akan. Human blockage model for indoor
terahertz band communication // 2019 IEEE International Conference on
Communications Workshops (ICC Workshops), pp. 1–6, IEEE. 2019.
10. A. Samuylov, D. Moltchanov, R. Kovalchukov, R. Pirmagomedov, Y. Gaidamaka, S.
Andreev, Y. Koucheryavy, & K. Samouylov. Characterizing resource allocation trade-offs in 5G NR serving multicast and unicast traffic // IEEE Transactions on
Wireless Communications, vol. 19, no. 5, pp. 3421–3434. 2020.
11. O. Chukhno, N. Chukhno, O. Galinina, Y. Gaidamaka, S. Andreev, and K.
Samouylov. Analysis of 3D deafness effects in highly directional mmWave
communications // 2019 IEEE Global Communications Conference
(GLOBECOM), pp. 1–7, IEEE. 2019.
12. Dmitri Moltchanov, Yuliya Gaidamaka, Darya Ostrikova, Vitalii Beschastnyi,
Yevgeni Koucheryavy, & Konstantin Samouylov. Ergodic Outage and Capacity of
Terahertz Systems Under Micromobility and Blockage Impairments // IEEE
Transactions on Wireless Communications, 99, 1-1. October 2021.
13. P. Nain, D. Towsley, B. Liu, and Z. Liu. Properties of random direction models //
IEEE 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications
Societies. 2005.
14. D. Moltchanov. Distance distributions in random networks // Elsevier Ad Hoc
Networks, vol. 10, pp. 1146–1166. August 2012.
15. M. Gerasimenko, D. Moltchanov, M. Gapeyenko, S. Andreev & Y. Koucheryavy.
Capacity of multiconnectivity mmWave systems with dynamic blockage and
directional antennas // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68, no. 4,
pp. 3534–3549. 2019.
16. V. Begishev, D. Moltchanov, E. Sopin, A. Samuylov, S. Andreev, Y. Koucheryavy, &
K. Samouylov. Quantifying the impact of guard capacity on session continuity in
3GPP New Radio systems // IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 68,
no. 12, pp. 12345–12359. 2019.
17. M. Gapeyenko, A. Samuylov, M. Gerasimenko, D. Moltchanov, S. Singh, M. R.
Akdeniz, E. Aryafar, N. Himayat, S. Andreev, & Y. Koucheryavy. On the temporal
effects of mobile blockers in urban millimeter-wave cellular scenarios // IEEE
Transactions on Vehicular Technology, available online. 2017.
18. M. Gapeyenko, A. Samuylov, M. Gerasimenko, D. Moltchanov, S. Singh, E. Aryafar,
S.-p. Yeh, N. Himayat, S. Andreev, & Y. Koucheryavy. Analysis of human-body
blockage in urban millimeter-wave cellular communications. // Communications
(ICC), 2016 IEEE International Conference on, pp. 1–7, IEEE, 2016.
19. J. G. Kemeny, J. L. Snell, et al. Finite markov chains, vol. 356. Van Nostrand
Princeton, NJ. 1960.
20. A. A. Boulogeorgos, A. Alexiou, T. Merkle, C. Shubert, L. Elshner, A. Katsiatis, P.
Stavrianos, D. Kritharidis, P.-K. Chartsias, J. Kokkoniemi, M. Juntti, J. Lehtomaki,
A. Teixeria, and F. Rodrigues. Terahertz Technologies to Deliver Optical Network
Quality of Experience in Wireless Systems Beyond 5G // IEEE Communications
Magazine. – P.144-151. – June 2018.
21. 3GPP, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz (Release 14),”
3GPP TR 38.901 V14.1.1. – July 2017.
22. V. Petrov, M. Komarov, D. Moltchanov, J. M. Jornet, and Y. Koucheryavy.
Interference and SINR in millimeter wave and terahertz communication systems
with blocking and directional antennas // IEEE Transactions on Wireless
Communications. – Vol. 16. – P. 1791–1808. – March 2017.
23. A. B. Constantine et al. Antenna theory: analysis and design // Microstrip Antennas,
John Wiley & Sons, 2005.
24. Rothman L. S. et al. The HITRAN 2008 molecular spectroscopic database // Journal
of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. – Vol. 110. – No. 9-10. — P.
533-572. – 2009.
25. V. Petrov, D. Moltchanov, Y. Koucheryavy, and J. M. Jornet, “Capacity and outage
of terahertz communications with user micro-mobility and beam misalignment,”
IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 69, no. 6, pp. 6822–6827, 2020.
26. V. Petrov, T. Kurner, and I. Hosako, “Ieee 802.15. 3d: First standardization efforts
for sub-terahertz band communications toward 6g,” IEEE Communications
Magazine, vol. 58, no. 11, pp. 28–33, 2020.