Công nghệ thu phát THZ

1. TRUYỀN THÔNG TERAHERT
NHÓM5

2. THÀNHVIÊNNHÓM
Hà Quang Long – B19DCVT228
Đinh Quốc Khánh – B19DCVT197
Nguyễn Thanh Tùng – B19DCVT357
Nguyễn Mạnh Cường – B19DCVT037
Trịnh Tiến Bình – B19DCVT029

3. CHƯƠNG1:TỔNGQUANVỀSÓNGTERAHERTZ
1.4) So sánh giữa THz và các công nghệ khác
1.1) Khái quát về sóng Terahertz
1.2) Đặc điếm của băng tần terahertz
1.5) Tính năng của truyền thông sóng THz
1.3) Sự khác biệt so với truyền thông trong các băng tần thông thường

4. 1.1) Khái quát về sóng Terahertz
Sóng terahertz (THz) nằm giữa tia hồng ngoại và vi sóng,
có dải tần 0,1 THz − 10 THz (1 THz = 1012 Hz),dải bước
sóng tương ứng là 0,03–3 mm.
Giống như bức xạ hồng ngoại và vi sóng, bức xạ terahertz
di chuyển trong tầm nhìn và không ion hóa.
Các ứng dụng thực tế trong miền THz bao gồm internet-of-
nano-things (IoNT), giao tiếp trên chip, viễn thám, phát
hiện sinh học, mạng khu vực cá nhân không dây THz (T-
WPAN), mạng LAN không dây THz (T-WLAN) và liên lạc
không dây an toàn.

5. Hình 1: Vị trí dải tần của sóng THz trong phổ điện từ

6. Ở tần số THz :
Suy hao đường truyền và phản xạ cao
1.2) Đặc điếm của băng tần terahertz
Độ sẵn sàng của các tuyến Line-of-Sight (LoS) mang tính ngẫu nhiên
Sự hấp thụ phân tử.

7. Hình 2: Phổ tần và bước sóng của sóng THz
=> Dung lượng của truyền thông di động 6G sẽ được tăng lên bằng cách thêm băng tần THz (275
GHz - 3THz) vào băng tần mmWave (30 - 300 GHz). Băng tần trong phạm vi 275 GHz - 3 THz vẫn
chưa được phân bổ cho bất kỳ mục đích nào trên toàn thế giới; do đó, băng tần này có tiềm năng
đạt được tốc độ dữ liệu cao mong muốn.

8. Tắc nghẽn tín hiệu (Signal Blockage)
1.3) Sự khác biệt so với truyền thông thz trong các băng
tần thông thường
tính hướng cao (High Directivity)
Hấp thụ khí quyển (Atmospheric Absorption)
Truyền thông ở tần số THz khác biệt đáng kể so với truyền thông ở tần số vô tuyến thông thường. Điều
này liên quan đến các yếu tố chính như sau :

9. Tắc nghẽn tín hiệu (Signal Blockage)
Khả năng bị nghẽn tín hiệu THz cao hơn các tín hiệu ở
tần số thấp hơn
tín hiệu có thể dễ dàng bị chặn bởi các tòa nhà, xe cộ,
con người và thậm chí cả tán lá
=> cần phải đánh giá ảnh hưởng của tắc nghẽn trong các
mô hình phân tích mạng truyền thông vô tuyếnTHz.

10. Tính hướng cao
Tính hướng cao là tính năng chính thứ hai của truyền thông
THz. Suy hao đường truyền ở các tần số cao này có thể được
khắc phục bằng cách sử dụng một số lượng lớn các ăng-ten ở
phía máy phát hoặc phía máy thu

11. Hấp thụ khí quyển (Atmospheric
Absorption)
Khi sóng điện từ lan truyền trong khí quyển, các
phân tử của các thành phần khí quyển bao gồm oxy
và nước sẽ hấp thụ chúng
hạn chế khoảng cách truyềnTHz và giảm vùng phủ
sóng của chúng
=> hệ thống thông tin THz yêu cầu quy hoạch trạm
gốc dày đặc hơn nhiều.
hạn chế khoảng cách truyềnTHz và giảm vùng phủ
sóng của chúng

12. 1.4) THz
so với các
công
nghệ khác
Các công nghệ (LTE), (GSM), v.v. cung cấp tốc độ dữ liệu
tối đa là 100 megabit/giây (Mbps) tình huống di động cao
Băng tần THz chủ yếu tương ứng với 100 GHz-10 THz với
tốc độ dữ liệu thay đổi từ 10-160 Gbps và hỗ trợ phạm vi
truyền 10 mét
Cần có thiết kế lớp vật lý và bộ thu phát mới cho băng tần
THz để tăng hiệu suất quang phổ và tốc độ dữ liệu

13. 1.5) Tính năng của truyền thông sóng THz
THz có một số đặc điểm khác biệt giúp nâng cao tính
ưu việt của THz so với laser và vi sóng
Trên 275 GHz, phần chính của dải THz tồn tại, còn
được gọi là bức xạ dưới milimét (mm) và có dải tần
trong khoảng 0,275-10 THz với bước sóng 0,03 mm-3
mm
Các tính năng và đặc điểm chính của THz được liệt kê
trong các khuyến nghị của Liên hiệp Viễn thông Quốc
tế (ITU) như sau:

14. Bảng1: BảngsosánhgiữasóngTHzvàcáccôngnghệkhôngdâykhác

15. Khả năng thâm nhập của tín hiệu vô tuyến trên 275 GHz đối với
vật liệu điện môi và chất lỏng không phân cực là rất ấn tượng
Sự suy giảm tín hiệu vô tuyến trên 275 GHz là nghiêm trọng, có
thể được sử dụng trong các lĩnh vực y tế khác nhau để phát hiện
và chẩn đoán
Năng lượng photon của sóng THz tính bằng milielectron vôn
(meV) và thấp hơn đáng kể so với năng lượng trong các liên kết
hóa học

16. Sóng THz chứa nhiều thông tin quang phổ, bao gồm thông tin
hóa học và vật lý của vật liệu.
Sóng THz cho thấy độ phân giải không gian tốt hơn so với dải vi
sóng. Các bước sóng trong dải sóng dưới mm làm tăng độ phân
giải của hình ảnh so với tưởng tượng bằng vi sóng.
Tính định hướng cao của sóng THz là do suy hao phản xạ và hấp
thụ cao đối với các tần số cao

17. Hình3:BăngtầnTerahertzvàcácứngdụngcủanótrongphổvôtuyến

18. Kết luận chương
THz có tiềm năng để truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn và băng thông lớn hơn so với
các công nghệ truyền thông hiện có. Tuy nhiên, đường truyền THz gặp nhiều thách
thức, bao gồm sự khó khăn trong chế tạo ăng-ten, đo lường tín hiệu THz và giảm
nhiễutrongmôitrườngcónhiềutácnhângâynhiễu

19. CHƯƠNG2:MÔHÌNHKÊNHTRUYỀNSÓNGTERAHERTZ
2.4) Kết luận chương
2.1) Các kênh truyền dẫn mmWave và Terahertz
2.2) Mô hình kênh trong dải Terahertz
2.3) Mô hình suy hao truyền dẫn tại các tần số mmWave và THz

20. 2.1) Các kênh truyền dẫn mmWave và Terahertz
Sóng milimet (mmWave) có dải tần 30 - 300 GHz và terahertz nằm trong dải tần 0,1 -
10 THz. Do đó, băng tần 100 - 300 GHz có một số đặc điểm ứng với mmWave và
terahertz, như băng thông lớn, hướng tính cao, suy hao đường truyền lớn, hiệu ứng
tắc nghẽn, hấp thụ khí quyển và tán xạ khuếch tán nhiều hơn.
Theo lý thuyết thông tin vô tuyến, khi sử dụng các ăng-ten có độ lợi không đổi, suy
hao đường truyền trong không gian tự do tăng với f2, trong đó f là tần số sóng mang
và giảm với f2 khi sử dụng các anten có diện tích không đổi ở cả 2 đầu cuối. Do đó,
các ăng-ten có hướng tính cao có thể gây ra suy hao đường truyền trong không gian
tự do đối với một hệ số hình thức nhất định.

21. Trong dải THz, các đặc tính của kênh khá khác biệt
so với các đặc tính của dải tần thấp hơn (mmWave
và cmWave) và cao hơn (hồng ngoại và ánh sáng
nhìnthấy).
Các mô hình kênh thống kê chủ yếu dựa trên các
phép đo và mô tả các loại môi trường (ví dụ: môi
trường văn phòng trong nhà) hơn là các vị trí cụ
thể.
Các mô hình kênh hỗn hợp, kết hợp các phương
pháp xác định và thống kê có sự cân bằng giữa độ
chínhxácvàhiệuquả
2.2)Môhìnhkênhtrongdải
Terahertz

22. 2.3)MôhìnhsuyhaotruyềndẫntạicáctầnsốmmWavevàTHz
2.3.1)Suyhaotrải
trễ
2.3.2)Suyhaokhí
quyển
2.3.4)Xácsuất
nhiễuxạ,fading
chebóngvàLOS
2.3.3)Suyhaotán
xạvàphảnxạ
2.3.5)Nhiễuhấp
thụ

23. Suy hao trải trễ tăng theo bậc hai với tần số, nếu khẩu độ của ăng-ten thu hẹp khi tần số tăng ở cả hai
đầucuốitrongkhiđộlợicủaăng-tenkhôngphụthuộcvàotầnsố,đãđượcđịnhnghĩabởiđịnhluậtFriis.
Suy hao trải trễ tín hiệu Terahertz do kéo dãn tín hiệu có thể được tính bằng công thức Friis dưới dạng
hàmcủatầnsốtínhiệu,khoảngcáchtruyềnvàtốcđộánhsángdướidạngphươngtrình:
2.3.1) Suy hao trải trễ
Trongđó:flàtầnsốtínhiệu,dlàkhoảngcáchgiữamáyphátvàmáythuvàclàtốcđộánhsáng.

24. Suy hao hấp thụ phân tử do các phân tử khí phân cực trong môi trường truyền sóng hấp thụ năng lượng
sóngTHz.
SuyhaohấpthụPLabs(f,d)dohấpthụphântửtínhiệuterahertzcóthểđượcviếtnhưbiểuthức
2.3.2)Suyhaokhíquyển
Trong đó: Bm(f) là hệ số hấp thụ phân tử. Hệ số hấp thụ phân tử của môi trường đốì với tín hiệu có tần số
phụthuộcvàonhiệtđộ,ápsuấtvàthànhphầntrungbìnhcủacácphântử.

25. Khi sóng điện từ tác động lên các bề mặt gồ ghề, sự tán xạ khuếch tán được tạo ra, ở đó các
đườngtruyềndẫnphântánđitheocác hướngkhác nhau.
Suyhaodophảnxạphụthuộc vàođộdàyđiệncủa bề mặtvậtthểvàtần số.
Suy hao tín hiệu do tán xạ phân tử và hạt trong môi trường truyền LOS có thế được tính toán
bằng cách sử dụng hệ số tán xạ như định luật Beer-Lambert nghịch đảo theo phương trình
sau:
2.3.3)Suyhaotánxạvàphảnxạ

26. Khi tần số sóng tăng, hiệu suất nhiễu xạ giảm do che khuất bởi các bức tường xây dựng hoặc
ngườivàcácchướngngạivậtkhác.
Hiệu ứng che bóng, kích thước của vùng Fresnel đầu tiên, giảm theo căn bậc hai của bước
sóng.
Hiệu ứng fading che bóng thường được đặc trưng bởi một biến ngẫu nhiên có phân phối
Gaussiantrungbìnhbằng0
2.3.4)Xácsuấtnhiễuxạ,fadingchebóngvàLOS

27. Ngoài suy hao công suất tín hiệu, sự hấp thụ phân tử tạo ra rung động bên trong các phân tử, dẫn đến
phátrabứcxạđiệntừcócùngtầnsốvớitầnsốcủasóngtớigâyrarungđộngnày.
Suy hao đường truyền tín hiệu THz là thành phần chính trong thiết kế và giải thích các tuyến truyền dẫn
vôtuyến
Nhiễuphântử donănglượngphóngđiệnphântửcóthểđượcxácđịnhbằngphươngtrình:
2.3.5)Nhiễuhấpthụ
Trongbiểuthứctrên,Wlàbăngthôngkênh,KblàhằngsốBoltzmann(1.380649x10^23J/K)

28. 2.4)Kếtluậnchương
Mô hình kênh truyền sóng THz cung cấp một cách tiếp cận để nghiên cứu các đặc tính của việc truyền dẫn
sóng THz qua các kênh truyền như không khí, các vật liệu bao gồm cả vật liệu điện dẫn và vật liệu không
dẫnđiện.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng truyền dẫn sóng THz có khả năng truyền tải thông tin với băng thông rộng
và tốc độ truyền dẫn cao hơn các công nghệ truyền thông hiện có. Tuy nhiên, cần thêm các nghiên cứu và
thửnghiệmđểpháttriểncácthiếtbịtruyềndẫnsóngTHzhiệuquảvàđángtincậy.

29. CHƯƠNG 3: Lựa chọn và
thiết kế anten cho truyền
thông sóng Terahertz

30. Tổng quan về anten trong
truyền thông sóng Terahertz
Phát triển
Ăng-ten kim loại
Một số loại ăng-ten phổ biến
Ăng-ten điện môi
Ăng-ten vật liệu mới

31. Pháttriển
củacông
nghệ
antenna

32. ĂNG-TENKIMLOẠI
Ăng-tensừng(Hornantenna) Ăng-tenkhốigócsóng di chuyển
(Traveling-wavecornercube
antenna)

33. Từtráisangphảilàăng-tenhìnhbướm,
ăng-tenképhìnhchữU,ăng-tentầnsố
gấpđôi,ăng-tentầnsốgấpđôisinxuyên
tâm
Ăng-tenđiệnmôi(Dielectric
antennas)

34. Hiệu ứng sóng bề
mặt (còn gọi thick
medium mode)
Doăng-tenđiệnmôiđược kết hợpvới chất nềnđiện
môi,nênhiệuứngsóng bềmặt(còngọi làchếđộtrung
bìnhdày)đượctạora khi tầnsốhướngđếndải THz,Khi
độdàycủachấtnềntăng lên,các chếđộbậc caohơn
trongchấtnềncũngtănglên.Tuynhiên,các chếđộbậc
caohơnnàyđượcbức xạlặpđi lặplại trong chất nềnvà
nănglượngbứcxạbởiăng-tenđược ghépnối.Với việc
tăngcácchếđộbậccao,hiệuquảghépnối giữaăng-
tenvàmôitrườngnềnđược tănglên.Tìnhtrạngnày
dẫnđếntổnthấtnănglượng

35. 3.1.3) Ăng-ten chất liệu mới
Carbon nanotube
antenna
Graphene nano
patch antenna

36. Carbon nanotube
antenna
Input impedance versus frequency
curve
Cấu trúc

37. Graphene nano patch
antenna
Cấu trúc

38. 5 loại ăng-ten thuờng dùng trong truyền thông THz
Terahertz photoconductive antennas (PCAs)
1
2
3 Terahertz lens antennas
4
Terahertz on-chip antennas
5
Terahertz horn antennas
Terahertz microstrip antennas

39. Terahertz photoconductive
antennas (PCAs)
Cấu trúc

40. Terahertz horn antennas
Corrugated hornscombined with
LTCC

41. Terahertz lens antennas

42. Terahertz microstrip antennas

43. Terahertz on-chip antennas

44. Kết luận chương
Các ăng-ten đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển công nghệ terahertz (THz), bởi
vì chúng chịu trách nhiệm truyền và nhận sóng bức xạ THz. Tuy nhiên, thiết kế và tối ưu
hóa các ăng-ten trong dải tần số THz là một nhiệm vụ đầy thách thức, vì độ dài sóng rất
nhỏ (trong khoảng từ 100 micron đến 1 mm), và các thiết kế ăng-ten truyền thống có
thể không hoạt động hiệu quả trong dải tần này. Ngoài ra, bức xạ THz rất nhạy cảm với
các mất mát và phân tán, điều này làm phức tạp thêm việc thiết kế ăng-ten.

45. 4. Công nghệ thu phát
4.1 MIMO
Công nghệ sử dụng nhiều anten trên phía
truyền và phía thu để truyền nhiều tín hiệu
cùng một lúc trên nhiều kênh tần số khác nhau.
MIMO giúp cải thiện tốc độ truyền thông và độ
ổn định của mạng.

46. 4.1.1 Mô hình kênh
Hình 4.1 Kênh MIMO đơn giản trong truyền thông Terahertz
Tín hiệu anten phía phát:
Tín hiệu anten phía thu:
Nhiễu được biểu diễn:
Thời điểm khuếch đại kênh An trên đường dẫn thứ n là:
Trong đó:
Pj là Công suất trung bình của tín hiệu trên máy phát xij
B là ma trận hợp của i x j
vij là trọng số của kênh từ anten thứ j ở đầu phát đến anten thứ i ở đầu thu

47. Ta có mối quan hệ tín hiệu giữa máy phát và máy thu:
4.1.2 Phân tích dung lượng kênh
Dung lượng truyền tải của kênh được biểu thị bằng:
Trong đó Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) được biểu thị:
Trong đó S là mật độ phổ công suất ở đầu phát; W là mật độ phổ công suất tạp âm; P đại diện cho tổn thất đường
truyền kênh
Mật độ phổ công suất được biểu thị:
Trong đó, To là nhiệt độ tham chiếu; d là khoảng cách truyền dẫn; k(f) là hệ số hấp thụ môi chất; k là hằng số
Boltzmann
Suy hao đường truyền chủ yếu bao gồm suy hao đường truyền Pspread và suy hao hấp thụ phân tử Pabs:
Trong đó, c là tốc độ ánh sáng trong không gian tự do.

48. 4.1.3 Kết quả mô phỏng và phân tích
Thông số mô phỏng:
Hình 4.2 Phân phối tích lũy dung lượng kênh
trong truyền thông Terahertz
Kết quả mô phỏng:

49. Hình 4.3 Khả năng truyền tải của kênh MIMO
trong truyền thông Terahertz
Hình 4.4 Khả năng truyền tải khi CSI của máy phát
không xác định và xác định
4.1.3 Kết quả mô phỏng và phân tích

50. 4.1.3 Kết quả mô phỏng và phân tích
Hình 4.5 So sánh hiệu suất phổ so với
các giá trị khác nhau của công suất phát
Hình 4.6 So sánh hiệu suất năng lượng
với các giá trị khác nhau của công suất phát
=> Công nghệ MIMO giúp cho kênh trong mạng truyền thông Terahertz có dung lượng và tốc độ cao.

51. 4.2 Massive MIMO
Hình 4.7 Hình minh họa của một hệ thống
Massive MIMO cell tự do hoạt động ở băng tần THz
Công nghệ Massive MIMO (Massive Multiple-Input
Multiple-Output) là một công nghệ quan trọng trong
mạng truyền thông Terahertz
Khi sử dụng công nghệ Massive MIMO, tín hiệu được
phân bổ trên nhiều anten truyền và nhận, giúp tăng
khả năng truyền tải và cải thiện độ chính xác của tín
hiệu
Massive MIMO còn có thể được sử dụng để cải thiện
khả năng chống nhiễu của tín hiệu trong môi trường
truyền tải

52. 4.3 Beamforming
Beamforming THz sử dụng một mảng ăng-ten để tạo
ra sóng với độ tập trung và định hướng cao hơn, giúp
cải thiện khả năng kết nối và độ tin cậy của hệ thống
truyền thông THz
Các ứng dụng của beamforming trong truyền thông
THz bao gồm:
Beamforming định hướng
Beamforming phân bổ tài nguyên
Beamforming đa tần số
các ăng-ten mảng được điều khiển bởi phần mềm để
điều chỉnh hướng sóng và cải thiện khả năng truyền
thông
1.
2.
3.
Hình 4.8 Hình minh họa hệ thống truyền thông thế hệ tiếp theo
sử Beamforming mmW/THz

53. 4.4 UWB
UWB cho phép truyền tải dữ liệu trên một phổ tần rộng,
giúp tăng tốc độ truyền tải và cải thiện khả năng chống
nhiễu
Trong mạng truyền thông Terahertz, UWB được sử dụng
để giảm thiểu tác động của suy hao tín hiệu trong không
khí và nhiễu từ các nguồn khác nhau
để áp dụng thành công công nghệ này, cần phải sử dụng
các thiết bị và kỹ thuật phù hợp để xử lý tín hiệu và đảm
bảo tín hiệu được truyền tải chính xác và ổn định.
Hình 4.9 Một số các đặc điểm của công nghệ UWB

54. OFDM là một phương pháp truyền tải dữ liệu
trên nhiều tần số khác nhau cùng một lúc
các tín hiệu tần số này được đặt trên các tín
hiệu trực giao để tránh hiện tượng giao thoa
giữa các tín hiệu
tín hiệu có thể được phân tán trên nhiều tần
số khác nhau, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của
tắc nghẽn và tăng độ chính xác của tín hiệu
truyền tải
Các kỹ thuật xử lý tín hiệu như FEC (Forward
Error Correction) và các kỹ thuật mã hoá được
sử dụng để cải thiện khả năng chống nhiễu
của OFDM.
4.5 OFDM
Hình 4.10 Các ứng dụng của OFDM

55. Công nghệ điều chế (modulation) trong mạng truyền thông Terahertz bao gồm các kỹ thuật để biến đổi
thông tin từ dạng số sang dạng sóng điện từ để truyền qua kênh truyền không dây
Một số kỹ thuật điều chế thông thường trong mạng truyền thông Terahertz bao gồm:
Amplitude Modulation (AM)
Frequency Modulation (FM)
Phase Modulation (PM)
Quadrature Amplitude Modulation (QAM)
1.
2.
3.
4.
4.6 Điều chế
4.7 Kết luận chương
Mặc dù các công nghệ thu phát trong truyền thông THz đang phát triển rất nhanh, nhưng vẫn còn nhiều thách thức
cần được giải quyết. Các thách thức này bao gồm các vấn đề về độ chính xác của đo lường và ứng dụng, các vấn đề
liên quan đến kỹ thuật chế tạo và phát triển các linh kiện và thiết bị phù hợp cho truyền thông THz. Ngoài ra, còn có
các thách thức liên quan đến an toàn và bảo mật trong việc sử dụng sóng THz trong các ứng dụng thực tế. Tuy
nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, các thách thức này có thể được giải quyết trong tương lai, và
truyền thông THz sẽ tiếp tục phát triển và trở nên phổ biến hơn trong các ứng dụng thực tế.

56. Thank
Thank
Thank
you!
you!
you!