Langaton tiedonsiirto THz- ja sub-THz-taajuuksilla

Abstract

Langatonta tiedonsiirtoa hyödyntävien laitteiden määrä ja vaatimukset kasvavat jatkuvasti vuosi vuodelta. Vaatimusten täyttämiseksi langattomia tiedonsiirtojärjestelmiä on kehitettävä jatkuvasti ja korkeampia taajuuskaistoja on tuotava mukaan langattomien verkkojen toimintaan. Korkeimpia näistä taajuuksista ovat terahertz- ja sub-terahertz-taajuudet, jotka määritellään 100—10000 GHz välisiksi taajuuksiksi. Kandidaatintyössä tarkastellaan terahertz- ja sub-terahertz-taajuuksien hyödyntämistä langattomassa tiedonsiirrossa sekä näiden taajuuksien käyttöönottoon liittyviä haasteita. Tämän lisäksi työssä tarkastellaan haasteita ja ratkaisuja myös laitteistotasolla sekä mahdollisia käyttötarkoituksia, missä terahertz- ja sub-terahertz-taajuuksia voidaan hyödyntää. Tutkielma on toteutettu kirjallisuuskatsauksena, jossa tehtävänä on perehtyä langattomaan tiedonsiirtoon terahertz- ja sub-terahertz-taajuuksilla. Aineistoksi on valittu viime vuosien aikana julkaistuja aihealueeseen liittyviä tutkimuksia, artikkeleita ja konferenssijulkaisuja. Työssä tärkeimpänä aineistona toimii IEEE 802.15.3d -standardi, joka on tällä hetkellä ainoa standardi langattomalle tiedonsiirrolle terahertz- ja sub-terahertz-taajuusalueella. Työn tuloksista nähdään, että terahertz- ja sub-terahertz-taajuudet ovat varteenotettava vaihtoehto langattomaan tiedonsiirtoon, mutta taajuuksien käyttöönotto vaatii vielä teknologista innovaatiota ja lisätutkimusta ennen kuin taajuuksia voidaan konkreettisesti hyödyntää langattomassa tiedonsiirrossa. Terahertz- ja sub-terahertz-taajuuksilla saadaan suurempi kaistanleveys ja korkeampi tiedonsiirtonopeus, mutta toimintaa rajoittavat korkea etenemisvaimennus sekä huono läpäisevyys. Näiden rajoittavien tekijöiden vuoksi tiedonsiirtoetäisyydet ovat maksimissaan muutamia satoja metrejä ja lähettimellä ja vastaanottimella on oltava esteetön näköyhteys toisiinsa. Laitteistotasolla energiatehokkuus tuottaa ongelmia, sillä korkeiden taajuuksien luominen ja hyödyntäminen vaativat paljon laitteistolta. Tämän lisäksi laitteistojen tuotantokustannukset ovat myös aivan liian suuria. Näiden syiden takia laitteistoja on yksinkertaistettava mahdollisimman paljon, jotta molemmat vaatimukset voidaan täyttää. IEEE 802.15.3d -standardin langattomilla sub-terahertz-yhteyksillä voidaan korvata langallisia yhteyksiä esimerkiksi verkkoinfrastruktuurissa, datakeskuksissa ja tiedonsiirtolaitteissa. Tämän lisäksi muita käyttökohteita ovat datakioskit, jotka toimivat kohdistettuina hotspot-alueina.