Estudio y modelado de canales de propagación en la banda de sub-THz para comunicaciones 6G

Abstract

Los sistemas de comunicaciones inalámbricas están en constante evolución. En los últimos años, la quinta generación (5G) se ha establecido como el paradigma actual ofreciendo tasas de transmisión del orden de 10 Gbps y latencias cercanas a 1 ms. Una de las tecnologías clave para lograr sus objetivos ha sido el uso de las bandas de frecuencia por encima de las sub-6 GHz: las ondas milimétricas o millimeter waves (mmWaves). No obstante, dentro de la literatura ya se están dando los primeros pasos en el desarrollo de la futura sexta generación (6G). Se prevé que en los próximos años emerjan nuevos servicios tales como la realidad extendida, las interfaces cerebro-ordenador o la telemedicina; cuyos key performance indicators (KPIs) escapan a las capacidades actuales de los sistemas 5G. En concreto, la tecnología 6G deberá ser capaz de alcanzar tasas de transmisión de en torno a 1 Tbps y latencias menores a 1 ms. Para ello, de manera análoga a la generación previa, se plantea un nuevo salto en frecuencia; esta vez a la banda de los terahercios (THz).

El uso de nuevas bandas de frecuencia requiere realizar un estudio en profundidad del canal de propagación, ya que es uno de los elementos más limitantes a la hora de diseñar un sistema de comunicaciones. Dentro de la comunidad científica, el interés en los THz no para de aumentar al haberse establecido como una de las claves para el desarrollo de la tecnología 6G. Es por ello que el estudio del canal en esta banda, que abarca desde 0.1 THz hasta 10 THz, se trata de un tema recurrente en los últimos años. Técnicamente, supone un desafío debido a las altas pérdidas y las longitudes de onda extremadamente reducidas, lo que provoca un fuerte detrimento sobre los mecanismos clásicos de propagación: reflexión, difracción y dispersión. Así, los modelos y características del canal de propagación en estas frecuencias diferirán con lo esperado en bandas más bajas como las mmWaves o las sub-6 GHz.

Mediante la realización de este proyecto se ha llevado a cabo un trabajo de caracterización y modelado del canal de propagación en la banda de sub-THz, correspondiente al rango de frecuencias de 100 GHz a 300 GHz. Para ello, se ha partido del diseño de una sonda de canal basada en el dominio de la frecuencia con la que caracterizar la función de transferencia del canal. A partir de ahí, se han llevado a cabo cinco campañas de medida independientes con el objeto de comprender con una mayor profundidad el canal de propagación a tan alta frecuencia.

La primera de ellas se ha centrado en el estudio de un sistema tipo multiple-inputs multiple-outputs (MIMO) en la banda de 140 GHz a 220 GHz, obteniendo la capacidad del canal y el factor K de Rician en distintas sub-bandas y condiciones del escenario. Se ha comprobado como la introducción de elementos reflectantes repercute positivamente en la eficiencia espectral del canal.

Con la segunda campaña se ha estudiado un entorno de pasillo en el que se emula un punto de acceso al fondo del mismo y un receptor localizado tanto con como sin línea de visión directa. Dentro del rango de 250 GHz a 330 GHz, se ha llevado a cabo un estudio y modelado de la ganancia del canal, comparando los resultados con los obtenidos en otros estudios en mmWaves a 28 GHz.

En la tercera campaña se ha estudiado la influencia del tipo de antena utilizada en transmisor y receptor sobre un enlace punto a punto para el rango de 75 GHz a 110 GHz. En concreto, se ha comparado el uso de antenas omnidireccionales frente a directivas. A partir del estudio de parámetros como el ancho de banda de coherencia o el factor K, se concluye que el uso de antenas isotópicas sigue siendo viable a pesar de las fuertes pérdidas por propagación proporcionando además un canal con un gran número de componentes multitrayecto.

La cuarta campaña se ha centrado en el estudio de la influencia del bloqueo humano sobre un enlace de comunicaciones en el rango de 75 GHz a 220 GHz. Se ha modelado la ganancia asociada al bloqueo y se ha comparado con otras propuestas de la literatura, cuantificando los efectos de difracción que ocurren en torno al sujeto que produce el bloqueo.

Finalmente, con la quinta campaña se ha estudiado el fenómeno de la dispersión difusa sobre distintos materiales en el rango de 75 GHz a 330 GHz. Se ha demostrado la viabilidad de los enlaces sin necesidad de recurrir a la línea de visión directa o reflexiones especulares.

Con todo el trabajo realizado, se ha profundizado en el entendimiento del canal de comunicaciones en las frecuencias de sub-THz. Se ha podido comprobar que, a pesar de las fuertes pérdidas, los mecanismos clásicos de propagación siguen siendo claves para que la señal transmitida sea capaz de alcanzar el receptor. Bajo las condiciones adecuadas, se ha podido validar la viabilidad de utilizar este rango de frecuencias, lo cual supone un nuevo avance en el desarrollo de los futuros sistemas 6G.

Wireless communications systems are constantly evolving. In recent years, fifth generation (5G) has established itself as the current paradigm, offering transmission rates in the order of 10 Gbps and latencies close to 1 ms. One of the key technologies to achieve its objectives has been the use of frequency bands above sub-6 GHz: millimeter waves (mmWaves). However, within the literature, the first steps are already being taken in the development of the future sixth generation (6G). New services such as extended reality, brain-computer interfaces or telemedicine are expected to emerge in the coming years; their key performance indicators (KPIs) are beyond the current capabilities of 5G systems. Specifically, 6G technology must be able to achieve transmission rates of around 1 Tbps and latencies of less than 1 ms. To achieve this, similar to the previous generation, a new frequency leap is proposed, this time to the terahertz band (THz). The use of new frequency bands requires an in-depth study of the propagation channel, since it is one of the most limiting elements when designing a communications system. Within the scientific community, interest in the THz band is increasing, as it has been established as one of the keys to the development of 6G technology. That is why the study of the channel in this band, which ranges from 0.1 THz to 10 THz, has been a recurring theme in recent years. Technically, it is a challenge due to the high losses and extremely small wavelengths, which causes a strong detriment on the classical propagation mechanisms: reflection, diffraction and scattering. Thus, propagation channel modeling and characteristics at these frequencies will differ from what is expected at lower bands such as mmWaves or sub-6 GHz. This project has been carried out to characterize and model the propagation channel in the sub-THz band, corresponding to the frequency range from 100 GHz to 300 GHz. For this purpose, we started with the design of a channel sounder based on the frequency domain with which to characterize the channel transfer function. From there, five independent measurement campaigns have been carried out in order to gain a deeper understanding of the propagation channel at such a high frequencies. The first one focused on the study of a multiple-inputs multiple-outputs (MIMO) system in the 140 GHz to 220 GHz band, obtaining the channel capacity and the Rician K factor in different subbands and scenario conditions. It is found that the introduction of reflective elements has a positive impact on the spectral efficiency of the channel. With the second campaign, a corridor environment has been studied in which an access point is emulated at the back of the corridor and a receiver located both with and without direct line of sight. Within the range 250 GHz to 330 GHz, a study and modeling of the path gain has been carried out, comparing the results with those obtained in other mmWaves studies at 28 GHz. In the third campaign, the influence of the type of antenna used in transmitter and receiver on a point-to-point link for the range of 75 GHz to 110 GHz has been studied. Specifically, the use of ominidirectional versus directional antennas has been compared. From the study of parameters such as coherence bandwidth or the K factor, it is concluded that the use of isotropic antennas is still viable despite the high propagation losses, providing a channel with a large number of multipath components. The fourth campaign has focused on the study of the influence of human blocking on a communications link in the range 75 GHz to 220 GHz. The gain associated with the blocking has been modeled and compared with other proposals in the literature, quantifying the diffraction effects that occur around the subject that produces the blocking. Finally, with the fifth campaign, the phenomenon of diffuse scattering on different materials in the range 75 GHz to 330 GHz has been studied. It has demonstrated the feasibility of links without the need for direct line-of-sight or specular reflections. With all the work done, we have deepened our understanding of the communications channel at sub-THz frequencies. It has been possible to verify that, in spite of the strong losses, the classical propagation mechanisms are still key for the transmitted signal to be able to reach the receiver. Under the right conditions, it has been possible to validate the feasibility of using this frequency range, which represents a new step forward in the development of future 6G systems.