Nanoskaalan sensoriverkot: THz-taajuusalue tiedonsiirtokanavana

Väitöskirjassa tutkitaan terahertsi-taajuusalueen (100 GHz - 10 THz) kanavamallinnusta tulevaisuuden langattomia tiedonsiirtosovelluksia varten. Langattoman tiedonsiirron vaatimukset kasvavat jatkuvasti yhä useampien sovelluksien siirtyessä käyttämään langattomia linkkejä. THz-taajuudet mahdollistavat jopa useiden terabittien per sekunti tiedonsiirtonopeudet. Tämä on satoja kertoja enemmän kuin ovat tavoitetiedonsiirtonopeudet tulevissa viidennen sukupolven (5G) matkapuhelinjärjestelmissä.

Väitöskirjassa pureudutaan erityisesti signaaleja heikentävien ilmiöiden, kuten läpäisyn, sironnan ja heijastuksien mallintamiseen. Näiden kanavamallien avulla voidaan tulevaisuudessa arvioida THz-taajuuksien todellista potentiaalia realistisissa tiedonsiirtokanavissa, sekä tiedonsiirtonopeutta erilaisissa ympäristöissä ja käyttökohteissa.

Signaalit vaimenevat voimakkaasti THz-taajuusalueella ja siten odotettavissa olevat tiedonsiirtoetäisyydet tulevat jäämään maksimissaan muutamaan metriin. THz-taajuudet vaimenevat jopa vapaassa tilassa, sillä yksinään ilma aiheuttaa tehohäviöitä molekylaariabsorption kautta. Myös ilman epäpuhtaudet voivat teoriassa aiheuttaa häviöitä sironnan kautta. Työn teoreettisten ja empiiristen havaintojen perusteella langaton THz-taajuinen tiedonsiirtolinkki voidaan suurista tehohäviöistä huolimatta muodostaa jopa ilman näköyhteyttä lähettimen ja vastaanottimen välillä. Tämä on mahdollista tehdä mm. heijastuksien, diffraktion, tai jopa esineiden läpi, riippuen materiaalista.

THz-kanavasta tehtyjen havaintojen pohjalta väitöskirjassa tutkitaan myös energiailmaisua yksittäisten linkkien tapauksessa, sekä verkkotason häiriötehoa useiden käyttäjien jakaessa samoja taajuusresursseja. Tämän tutkimuksen perusteella voidaan todeta THz-kanavien olevan hyvin potentiaalisia monen käyttäjän kanavia. Suuret tehohäviöt aiheuttavat hankaluuksia signaalien ilmaisussa, mutta toisaalta minimoivat häiriöt muihin rinnakkaisiin tiedonsiirtolinkkeihin. Tämä sallii hyvin suuren määrän rinnakkaisia käyttäjiä ja/tai laitteita.

Kaiken kaikkiaan THz-taajuusalue on hyvin potentiaalinen väylä suuren nopeuden, lyhyen kantaman sovelluksille. Suurin haaste näiden taajuuksien hyödyntämiselle on vielä kehitysvaiheessa oleva fyysinen laitteisto. Tulevaisuudessa tämä ongelma tulee poistumaan, sillä suurien taajuuksien etuna olevat suuret kaistanleveydet houkuttelevat enenevässä määrin tutkijoita etsimään tiedonsiirtoratkaisuja yhä korkeammilta taajuuksilta.