A Holistic Investigation on Terahertz Propagation and Channel Modeling Toward Vertical Heterogeneous Networks

User-centric and low latency communications can be enabled not only by small cells but also through ubiquitous connectivity. Recently, the vertical heterogeneous network (V-HetNet) architecture is proposed to backhaul/fronthaul a large number of small cells. Like an orchestra, the V-HetNet is a polyphony of different communication ensembles, including geostationary orbit (GEO), and low-earth orbit (LEO) satellites (e.g., CubeSats), and networked flying platforms (NFPs) along with terrestrial communication links. In this study, we propose the Terahertz (THz) communications to enable the elements of V-HetNets to function in harmony. As THz links offer a large bandwidth, leading to ultra-high data rates, it is suitable for backhauling and fronthauling small cells. Furthermore, THz communications can support numerous applications from inter-satellite links to in-vivo nanonetworks. However, to savor this harmony, we need accurate channel models. In this paper, the insights obtained through our measurement campaigns are highlighted, to reveal the true potential of THz communications in V-HetNets.Comment: It has been accepted for the publication in IEEE Communications Magazin

IRS-assisted UAV Communications: A Comprehensive Review

Intelligent reflecting surface (IRS) can smartly adjust the wavefronts in terms of phase, frequency, amplitude and polarization via passive reflections and without any need of radio frequency (RF) chains. It is envisaged as an emerging technology which can change wireless communication to improve both energy and spectrum efficiencies with low energy consumption and low cost. It can intelligently configure the wireless channels through a massive number of cost effective passive reflecting elements to improve the system performance. Similarly, unmanned aerial vehicle (UAV) communication has gained a viable attention due to flexible deployment, high mobility and ease of integration with several technologies. However, UAV communication is prone to security issues and obstructions in real-time applications. Recently, it is foreseen that UAV and IRS both can integrate together to attain unparalleled capabilities in difficult scenarios. Both technologies can ensure improved performance through proactively altering the wireless propagation using smart signal reflections and maneuver control in three dimensional (3D) space. IRS can be integrated in both aerial and terrene environments to reap the benefits of smart reflections. This study briefly discusses UAV communication, IRS and focuses on IRS-assisted UAC communications. It surveys the existing literature on this emerging research topic and highlights several promising technologies which can be implemented in IRS-assisted UAV communication. This study also presents several application scenarios and open research challenges. This study goes one step further to elaborate research opportunities to design and optimize wireless systems with low energy footprint and at low cost. Finally, we shed some light on future research aspects for IRS-assisted UAV communication

On the Performance of Terrestrial Free-Space Optical (FSO) Links under the Presence of Generalized Pointing Errors

En ambos grupos se han obtenido expresiones matemáticas en forma cerrada que permiten evaluar la capacidad en todo el rango de valores de SNR (Signal-to-Noise Ratio) en algunos casos y, en otros, solo ha sido posible obtener su comportamiento asintótico debido a la dificultad matemática que presentaba el análisis. A la luz de los resultados obtenidos, podemos concluir que los sistemas MISO FSO son probablemente la solución más interesante en comparación a los sistemas SIMO y MIMO FSO. Al mismo tiempo, los resultados obtenidos en comunicaciones cooperativas permiten concluir que los sistemas cooperativos basados en retransmisión DF son capaces de aumentar la capacidad e incluso mejorar a la capacidad obtenida por un sistema basado en diversidad espacial para determinadas posiciones del nodo retransmisor. En el caso de las contribuciones realizadas en el modelado de errores por desapuntamiento generalizado, los cuales siguen una distribución Beckmann, podemos destacar la aproximación propuesta en esta tesis que nos permite incluir de una forma eficiente y sencilla dichos errores por desapuntamiento al análisis de prestaciones de cualquier sistema de comunicaciones FSO. La herramienta propuesta es válida para analizar cualquier sistema FSO en términos de BER y probabilidad de outage y nos permite detectar qué efecto es dominante, es decir, si la turbulencia atmosférica o los errores por desapuntamiento. El efecto de la correlación también ha sido contemplado, concluyendo que no puede ser ignorado.Los sistemas de comunicaciones ópticas en espacio libre (FSO, Free-Space Optical) para aplicaciones terrestres se presentan en la actualidad como una solución muy interesante para solventar el importante reto provocado por la escasez del espectro RF (Radio-Frequency) disponible. Además, los sistemas FSO se configuran como una seria alternativa frente a otras tecnologías de acceso y transporte como los sistemas de RF debido a las altas tasas de señalización potencialmente muy superiores que se pueden conseguir. Estas ventajas, entre otras, han intensificado la investigación en estos sistemas en las últimas décadas. Por tanto, el análisis de sus prestaciones en términos de probabilidad de error de bit (BER, Bit Error-Rate), probabilidad de outage y capacidad ergódica es de interés relevante, siendo estas altamente afectadas por la turbulencia atmosférica, los errores por desapuntamiento entre transmisor y receptor así como por la niebla densa. En esta tesis, el análisis de las prestaciones de los sistemas FSO ha sido abordado, presentando novedosos resultados para la comunidad científica e investigadora. Dicho análisis de prestaciones se ha dividido en dos grandes áreas de investigación: análisis de la capacidad ergódica, y modelado de errores por desapuntamiento generalizado entre transmisor y receptor. Las contribuciones realizadas dentro del análisis de la capacidad ergódica están divididas en dos grupos: por un lado, el análisis de la capacidad de sistemas FSO avanzados basados en diversidad espacial tales como los sistemas MISO (Multiple-Input/Single-Output), SIMO (Single-Input/Multiple-Output) y MIMO(Multiple-Input/Multiple-Output) FSO; por otro lado, el análisis de la capacidad de sistemas cooperativos basados en retransmisión DF (Detect-and-Forward)

Beyond 5G Fronthaul based on FSO Using Spread Spectrum Codes and Graphene Modulators.

High data rate coverage, security, and energy efficiency will play a key role in the continued performance scaling of next-generation mobile systems. Dense, small mobile cells based on a novel network architecture are part of the answer. Motivated by the recent mounting interest in free-space optical (FSO) technologies, this paper addresses a novel mobile fronthaul network architecture based on FSO, spread spectrum codes, and graphene modulators for the creation of dense small cells. The network uses an energy-efficient graphene modulator to send data bits to be coded with spread codes for achieving higher security before their transmission to remote units via high-speed FSO transmitters. Analytical results show the new fronthaul mobile network can accommodate up to 32 remote antennas under error-free transmissions with forward error correction. Furthermore, the modulator is optimized to provide maximum efficiency in terms of energy consumption per bit. The optimization procedure is carried out by optimizing both the amount of graphene used on the ring resonator and the modulator’s design. The optimized graphene modulator is used in the new fronthaul network and requires as low as 4.6 fJ/bit while enabling high-speed performance up to 42.6 GHz and remarkably using one-quarter of graphene only