Towards THz Communications: Propagation Studies, Indoor Channel Modeling and Interference Investigations

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Bislang blieb der Frequenzbereich jenseits der 300 GHz bis hin zu 3 THz, historisch als Terahertz-Lücke bezeichnet, aufgrund von technologischen Beschränkungen für Kommunikationsanwendungen uninteressant und ungenutzt. Maßgebliche Fortschritte in der Halbleitertechnologie haben THz-Frequenzen unlängst jedoch prinzipiell für die Drahtlosdatenübertragung erschlossen. Obwohl die Technologie zur Modulation von Trägerfrequenzen im THz-Frequenzbereich inzwischen verfügbar geworden ist, verbleibt der Entwurf eines THz-Sende- und -Empfangssystems jedoch eine offene Herausforderung. Dies hat ein erhebliches wissenschaftliches und auch wirtschaftliches Interesse an der detaillierten Studie von THz-Funkkanälen hervorgerufen. Als unumgänglicher, vorbereitender Schritt auf dem Weg zur Konzeption von THz-Datenübertragungssystemen bilden umfangreiche Ausbreitungs- und Kanalmessungen sowie die entsprechende Ausbreitungs- und Kanalmodellierung bei THz-Frequenzen den zentralen Inhalt dieser Arbeit. Fundamentale Untersuchungen von Streu- und Beugungsphänomenen komplettieren Vorarbeiten zur THz-Wellenausbreitung und münden in einem vollständigen Ausbreitungsmodell. Hierfür werden die Beugung und diffuse Streuung an Objekten bzw. rauen Oberflächen sowohl messtechnisch als auch theoretisch betrachtet. Die Theorien werden mit den Messungen validiert und anschließend in einen deterministischen Ray-Tracing- Algorithmus integriert. Mit Hilfe des Ray-Tracing-Simulators wird der Einfluss von Beugung und Streuung auf THz-Funkkanäle in einem beispielhaften Büroraum bei 300 GHz bewertet. Aufbauend auf das deterministische Ray-Tracing-Ausbreitungsmodell werden die räumliche und zeitliche Dispersion des THz-Funkkanals charakterisiert und deren Implikationen auf die Systemleistungen analysiert. Zudem wird ein stochastisches Streumodell entwickelt, welches im Gegensatz zu analytischen Theorien eine bedeutend vereinfachte, aber trotzdem hinreichend genaue Beschreibung der Oberflächenstreuung erlaubt. Hinsichtlich ultrabreitbandiger Funkkanäle wird anschließend die Notwendigkeit einer Kanalsimulation im Frequenzbereich aufgezeigt und der Ray-Tracing-Algorithmus entsprechend erweitert. Ein neu entwickelter Kalibrierungsalgorithmus verbessert dabei die Genauigkeit des Frequenzbereichs-Ray-Tracings erheblich. Richtungsaufgelöste, ultrabreitbandige Funkkanalmessungen in einer Büroumgebung geben weiterhin umfangreiche experimentelle Einblicke in das Verhalten des THz-Funkkanals zwischen 275 und 325 GHz. Hierbei wird auch ein virtueller Mehrantennenaufbau betrachtet. Gemessene Kanaleigenschaften sowie die erzielte Messgenauigkeit werden ausgewertet. Die Messungen validieren zugleich das Ray-Tracing und dienen als Grundlage zur Ray-Tracing-Kalibrierung. Im zweiten Schritt werden die Ausbreitungseigenschaften mit Hilfe des kalibrierten Ray-Tracers flächenhaft in dem gesamten Büro prädiziert, woraus ein komplettes stochastisches THz-Kanalmodell abgeleitet wird. Tests des Modells gegen die Messungen und gegen Ray-Tracing-Simulationen weisen eine sehr gute Reproduktion der Kanaleigenschaften durch das Modell nach, wobei gegenüber dem Ray-Tracing ein maßgeblicher Rechenzeitvorteil bei vergleichbarer Genauigkeit entsteht. Ergänzend wird der Einfluss von Antennen auf die Funkkanalcharacteristiken dargelegt. Direktive (intelligente) Antennen unterdrücken insbesondere die Mehrwegeausbreitung, was anhand von realen, gemessenen Antennendiagrammen quantitativ und qualitativ in einem Referenzszenario untersucht wird. Nicht perfekte Antennenausrichtung wird zudem durch ein stochastisches Fehlausrichtungsmodell einbezogen und analysiert. Hierbei wird eine Empfehlung für geeignete Antennendirektivitäten unter Berücksichtigung zufälliger Antennenfehlausrichtung gegeben. Abschließend wird die potentielle Interferenz zwischen aktiven THz-Sendern und passiven THz-Sensoren der satellitengestützen Erderkundung analysiert. Richtlinien zur Sendeleistungsbeschränkung sowie mögliche Konzepte zur Reduktion der Interferenzleistung werden diskutiert, mit denen eine Beeinträchtigung der passiven Systeme durch die aktive THz-Kommunikation vermieden werden kann. Wesentliches zusammengefasstes Ergebnis aller Teile der Dissertation ist das erste spezifische, umfassende und mit Messungen validierte Ausbreitungs- und Kanalmodell für THz-Funkkanäle in Innenräumen überhaupt. Das Modell ermöglicht erstmals die schnelle Simulation zukünftiger THz-Kommunikationssysteme unter realistischen Ausbreitungsbedingungen. Weiterführende Studien können unmittelbar auf die Arbeit in dieser Dissertation aufbauen und den Entwurf eines optimalen THz-Systemkonzepts und -designs zum Ziel haben. Die durchgeführten Interferenzuntersuchungen bilden zudem die Grundlage für einen koexistenten, interferenzfreien Betrieb von aktiven Sendern und passiven, satellitengestützten Systemen im THz-Band. Sie helfen zugleich den Dialog der Interessensvertreter aus dem Gebiet der THz-Kommunikation mit den THz-Erderkundungsdiensten zu initiieren und voranzutreiben.