Design of terahertz transceiver schemes for ultrahigh-speed wireless communications

Future ultra-high-speed wireless communication systems face difficult challenges due to the fundamental limitations of current technologies operating at microwave frequencies. Supporting high transmission rates will require the use of more spectral resources that are only available at higher frequencies. Within this context, terahertz (THz) communications have been attracting more and more attention, being considered by the research community as one of the most promising research fields on the topic due to the availability of extensive unused bandwidth segments. However, its widespread use is not yet possible due to some obstacles, such as the high propagation losses that occur in this band and the difficulty in designing devices that can effectively perform both transmission and detection tasks. The purpose of this dissertation is to contribute for the solution of both of the aforementioned problems and to propose novel THz transceiver schemes for ultra-high-speed wireless communications. Three main research areas were addressed: device modelling for the THz; index modulation (IM) based schemes for Beyond 5G (B5G) networks and hybrid precoding designs for THz ultra massive (UM) – multiple input multiple output (MIMO) systems. The main contributions of this work include the creation of a new design for a reconfigurable THz filter; the proposal of a precoded generalized spatial modulation scheme for downlink MIMO transmissions in B5G networks; the creation of a low-complexity hybrid design algorithm with a near fully-digital performance for multiuser (MU) mmWave/THz ultra massive MIMO systems that can incorporate different analog architectures; and the system-level assessment of cloud radio access network (C-RAN) deployments based on low-complexity hybrid precoding designs for massive MIMO downlink transmissions in B5G networks. The first contribution is especially suited for the implementation of reconfigurable THz filters and optical modulators, since it is based on a simple design, which transits from situations in which it presents a full transparency to situations where it achieves full opacity. Moreover, this approach can also be used for the implementation of simultaneously transmitting and reflecting (STAR) reconfigurable intelligent surfaces (RIS) which are important for enabling flexible system designs in RIS-assisted networks. The second contribution showed that the implementation of precoding schemes based on generalised spatial modulations is a solution with a considerable potential for future B5G systems, since it can provide larger throughputs when compared to conventional MU-MIMO schemes with identical spectral efficiencies.The last two contributions showed that through the proposed hybrid design algorithm it becomes possible to replace a fully digital precoder/combiner by a fully-connected or even by a partially-connected architecture (array of subarrays and dynamic array of subarrays), while achieving good tradeoffs between spectral efficiency, power consumption and implementation complexity. These proposals are particularly relevant for the support of UM-MIMO in severely hardware constrained THz systems. Moreover, the capability of achieving significant improvements in terms of throughput performance and coverage over typical cellular networks, when considering hybrid precoding‐based C-RAN deployments in two indoor office scenarios at the THz band, was demonstrated.Os futuros sistemas de comunicação sem fios de velocidade ultra-elevada enfrentam desafios difíceis devido às limitações fundamentais das tecnologias atuais que funcionam a frequências de microondas. O suporte de taxas de transmissão altas exigirá a utilização de mais recursos espectrais que só estão disponíveis em frequências mais elevadas. A banda Terahertz (THz) é uma das soluções mais promissoras devido às suas enormes larguras de banda disponíveis no espectro eletromagnético. No entanto, a sua utilização generalizada ainda não é possível devido a alguns obstáculos, tais como as elevadas perdas de propagação que se verificam nesta banda e a dificuldade em conceber dispositivos que possam desempenhar eficazmente as tarefas de transmissão e deteção. O objetivo desta tese de doutoramento, é contribuir para ambos os problemas mencionados anteriormente e propor novos esquemas de transcetores THz para comunicações sem fios de velocidade ultra-elevada. Três grandes áreas de investigação foram endereçadas, contribuindo individualmente para um todo: a modelação do dispositivo para o THz; esquemas baseados em modulações de índice (IM) para redes pós-5G (B5G) e desenhos de pré-codificadores híbridos para sistemas THz MIMO ultra-massivos. As principais contribuições deste trabalho incluem a criação de um novo design para um filtro THz reconfigurável; a proposta de uma nova tipologia de modulação espacial generalizada pré-codificada para transmissões MIMO de ligação descendente para redes B5G; a criação de um algoritmo de design híbrido de baixa complexidade com desempenho quase totalmente digital para sistemas MIMO multi-utilizador (MU) mmWave/THz ultra massivos que podem incorporar diferentes arquiteturas analógicas e a avaliação das implementações da rede de acesso de rádio na nuvem (C-RAN) com base em designs de pré-codificação híbridos de baixa complexidade para transmissões MIMO de ligação descendente massivas em redes B5G. A primeira contribuição é especialmente adequada para a implementação de filtros THz reconfiguráveis e moduladores óticos, uma vez que se baseia numa concepção mais simples, que transita de situações em que apresenta uma transparência total para situações em que atinge uma opacidade total. Para além disso, esta abordagem também pode ser utilizada para a implementação de superfícies inteligentes reconfiguráveis (RIS) de transmissão e reflexão simultânea (STAR). A segunda contribuição mostrou que a implementação de esquemas de pré-codificação baseados em modulações espaciais generalizadas é uma solução com um potencial considerável para futuros sistemas B5G, uma vez que permite alcançar maiores ganhos em termos de débito binário quando comparado com esquemas convencionais MU-MIMO com eficiências espectrais idênticas. As duas últimas contribuições mostraram que através do algoritmo proposto torna-se possível substituir a utilização de uma arquitectura totalmente digital por uma arquitetura totalmente conectada ou mesmo por uma arquitetura parcialmente conectada (arrays de subarrays e arrays dinâmicos de subarrays), conseguindo-se bons tradeoffs entre eficiência espectral, consumo de energia e complexidade de implementação. Estas propostas são particularmente relevantes para dar suporte a sistemas THz UM-MIMO com restrições severas ao nível de hardware. Demonstrou-se também a capacidade de se alcançar melhorias significativas em termos de débito binário e cobertura em relação a redes celulares típicas, considerando dois cenários na banda THz

Development of new technologies for the THz domain with applications on structural health monitoring

Structural health monitoring (SHM) plays a major role in industry and engineering today, as this methodology has completely changed the paradigm of how to assess the health status of structures. Previously, the methodology of reference, Non-Destructive Testing (NDT), consisted on conducting periodic inspections, made by specialized professionals that used external equipment. However, this method was quite expensive and time consuming. SHM systems are considered as an alternative to traditional methods, since these systems allow the continuous acquisition of the structural responses from the disturbances experienced by the structure. Through the measurement data, it will be possible to know the health condition of the structure and the existence of structural damages. Sensors represent a fundamental component of these systems, since they are responsible for the acquisition of data related to the health and integrity of the structures and they should be accessible, light and discrete, so as not to impose cost and weight on the structure and not to interfere with the structural resistance. Although the THz domain is a relatively new field of research in electromagnetic sensors, it is known that the use of frequency selective surfaces (FSSs) allows the creation of compact devices which can be easily integrated into the surface of the structures without harming its functionality and aesthetic appearance. The main goal of this dissertation is to study and numerically simulate stress sensors for the detection of THz radiation for applications in SHM, with high sensitivity and selectivity. Taylloring these characteristics to provide a good detection has been achieved through appropriate selection of materials and careful design of stress tunnable band pass filters for the THz domain. Numerical modelling of both the mechanical and electromagnetics, solving the elasticity equation and Maxwell’s equations, respectively, has been undertaken for two types of assembling of the devices using different thermoplastic polymers such as high-density polyethylene (HDPE) and polytetrafluoroethylene (PTFE). It was observed that two methodologies can be adopted to control the level of force applied to the sensors, namely through, the variation of the electric current and the positioning of the coil on the plunger.A monitorização de saúde estrutural (SHM) desempenha um papel bastante importante na indústria e na engenharia hoje em dia, uma vez que esta metodologia mudou completamente o paradigma de como aferir o estado de saude das estruturas. Anteriormente, a metodologia de referência consistia em realizar inspeções periódicas com recurso a equipamentos externos, as quais eram realizadas por profissionais especializados. Contudo, este método revelou ser bastante dispendioso e moroso. Os sistemas SHM são considerados uma alternativa aos métodos tradicionais, uma vez que esses sistemas permitem a aquisição contínua das respostas estruturais provenientes das perturbações experimentadas pela estrutura e saber qual o estado de saúde da estrutura com base nas medições efectuadas. Os sensores são base destes sistemas, devendo ser acessíveis, leves e discretos, para não impor custo e peso à estrutura e não interferir na resistência estrutural. Apesar da vasta gama de sensores disponíveis, existe alguma carência de sensores altamente selectivos para o domínio dos Terahertz. Embora o domínio THz seja um campo relativamente novo de investigação em sensores eletromagnéticos, sabe-se que o uso de superfícies seletivas de frequência (FSSs) permite a criação de dispositivos compactos que podem ser facilmente integrados na superfície das estruturas sem prejudicar sua funcionalidade e aspecto estético. O objetivo principal desta dissertação é estudar e simular numericamente sensores de stress para a detecção de radiação THz para aplicações em SHM, com alta sensibilidade e seletividade. A determinação dessas características para fornecer uma boa detecção foi conseguida através da seleção apropriada de materiais e do design cuidadoso de filtros passa-banda sintonizáveis por tensão para o domínio dos THz. Foram realizadas simulações numéricas das componentes mecânica e electromagnética dos sensores com objectivo de resolver a equação de elasticidade e as equações de Maxwell respectivamente, para dois tipos de montagem dos dispositivos, utilizando diferentes polímeros termoplásticos, tais como polietileno de alta densidade (HDPE) e politetrafluoretileno (PTFE). Observou-se que podem ser adotadas duas metodologias para controlar o nível de força aplicado aos sensores, tais como a variação da corrente elétrica e o posicionamento da bobina no êmbolo