Анализ эффекта молекулярной абсорбции на показатели качества обслуживания в системах связи терагерцевого диапазона

В настоящее время консорциум 3GPP приступил к разработке стандартов связи, работающих в терагерцевом диапазоне частот для интегрированных всепроникающих наземновоздушных сетей связи шестого поколения (6G). Терагерцевый (0.3-3 ТГц) диапазон частот, располагая большим количеством радиоресурсов, позволит внедрить принципиально новые услуги связи на беспроводном участке, такие как дополненная и виртуальная реальности (AR/VR), голографическое телеприсутствие, видео в разрешении 8/16K. В дополнение к беспрецедентным возможностям, терагерцевые системы ставят перед разработчиками ряд принципиально новых задач, связанных с преодолением негативных эффектов, вызванных специфическими характеристиками терагерцевого диапазона частот. В частности, использование этого диапазона приводит к экстремальным потерям при распространении сигнала, которые значительно выше даже по сравнению с миллиметровым (mmWave) диапазоном. В первую очередь этот эффект связан с молекулярной абсорбцией (поглощение терагерцевых волн молекулами водяного пара), приводящей к экспоненциальному затуханию принимаемой мощности на расстояниях свыше 10 метров. В этой работе разработана математическая модель для анализа эффекта молекулярной абсорбции на ключевой показатель качества обслуживания в системах связи терагерцевого диапазона - спектральную эффективность. Анализ эффекта проведён на основе данных из базы HITRAN.

Analysis of the effect of molecular absorption on THz communication systems

Currently, the 3GPP consortium has started developing sixth-generation (6G) communication standards operating in the terahertz frequency range. The terahertz (0.3-3 THz) frequency range, with a large number of radio resources, will allow the introduction of fundamentally new communication services in the wireless sector, such as augmented and virtual reality (AR/VR), holographic telepresence, video in 8/16K resolution. In addition to unprecedented capabilities, THz systems pose to developers a number of fundamentally new tasks related to overcoming the negative effects caused by the specific characteristics of the THz frequency range. In particular, the use of this range leads to extreme losses during signal propagation, which are significantly higher even compared to the millimeter (mmWave) range. First of all, this effect is associated with molecular absorption (absorption of terahertz waves by water vapor molecules), which leads to an exponential attenuation of the received power at distances over 10 meters. In this work, a mathematical model has been developed to analyze the effect of molecular absorption on the key indicator of service quality in terahertz communication systems - spectral efficiency. The analysis of the effect was carried out on the basis of data from the HITRAN database.