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किलोमीटर-स्केल टेराहर्ट्ज़ वायरलेस संचार को 300 GHz से परे हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक तालमेल द्वारा पार करना

किलोमीटर-स्केल टेराहर्ट्ज़ वायरलेस संचार को 300 GHz से परे हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक तालमेल द्वारा पार करना

अनुसंधान क्षेत्र Photonics
Article Type Research analysis
Authors Cai et al.
Original Paper Published 2026-05-09
ISOM Posted 2026-05-11 17:19 UTC
Read Time 7M
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Editorial Disclosure

ISOM follows an editorial workflow that structures the source paper into a readable analysis, then publishes the summary, source links, and metadata shown on this page so readers can verify the original work.

The goal of this page is to help readers understand the paper's core question, method, evidence, and implications before opening the original publication.

पृष्ठभूमि और अकादमिक वंश

उत्पत्ति और अकादमिक वंश

इस पत्र में संबोधित समस्या की सटीक उत्पत्ति वायरलेस संचार में उच्च-गति डेटा ट्रैफ़िक की बढ़ती वैश्विक मांग से उपजी है। इस वृद्धि ने विशेष रूप से 300 GHz से ऊपर के उच्च-आवृत्ति टेराहर्ट्ज़ (THz) बैंडों के अन्वेषण को प्रेरित किया है, जो दसियों से सैकड़ों गीगाबिट प्रति सेकंड की डेटा दरों का समर्थन करने की क्षमता वाले अपने विशाल बैंडविड्थ क्षमता के कारण हैं। ऐतिहासिक रूप से, ये THz वायरलेस लिंक अगली पीढ़ी के वायरलेस फ्रंटहॉल/बैकहॉल नेटवर्क और आपातकालीन संचार के लिए एक महत्वपूर्ण समाधान के रूप में उभरे हैं, विशेष रूप से उन परिदृश्यों में जहां पारंपरिक ऑप्टिकल फाइबर अवसंरचना की तैनाती अव्यावहारिक या निषेधात्मक रूप से महंगी है, जैसे कि पहाड़ों और नदियों जैसे चुनौतीपूर्ण इलाकों में। पिछले दशक में, फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz संचार, जो प्रकाश-आधारित प्रौद्योगिकियों का लाभ उठाता है, ने उच्च-आवृत्ति, उच्च-गति और वास्तविक समय THz संकेतों को उत्पन्न करने और THz वायरलेस लिंक को मौजूदा ऑप्टिकल फाइबर नेटवर्क में निर्बाध रूप से एकीकृत करने के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण के रूप में प्रमुखता प्राप्त की है।

हालांकि, पिछले दृष्टिकोणों को मौलिक सीमाओं का सामना करना पड़ा, जिसने लेखकों को इस नवीन समाधान को विकसित करने के लिए मजबूर किया। प्राथमिक "दर्द बिंदु" उच्च-आवृत्ति THz संचार, विशेष रूप से फोटोनिक्स द्वारा सक्षम, की वायरलेस ट्रांसमिशन दूरी गंभीर रूप से प्रतिबंधित थी। यह सीमा मुख्य रूप से दो कारकों के कारण थी:
1. आंतरिक प्रसार हानि: उच्च-आवृत्ति THz तरंगें, विशेष रूप से 300 GHz से ऊपर, महत्वपूर्ण प्रसार हानियों से ग्रस्त हैं, जिसमें मुक्त स्थान पथ हानि और वायुमंडलीय अवशोषण शामिल हैं। उदाहरण के लिए, 300 GHz THz तरंग मानक परिस्थितियों में केवल 1 किमी वायुमंडलीय संचरण के बाद 150 dB से अधिक की कुल हानि का अनुभव करती है।
2. कम ऑप्टिकल-से-THz (O/T) रूपांतरण दक्षता: ऑप्टिकल संकेतों का THz संकेतों में रूपांतरण, आमतौर पर फोटोडायोड का उपयोग करके, 300 GHz बैंड और उससे ऊपर 2% से कम की शक्ति रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित करता है। यह अक्षमता उत्पन्न THz संकेतों की आउटपुट शक्ति को माइक्रोवाट स्तर तक गंभीर रूप से सीमित करती है।

जबकि अत्याधुनिक सॉलिड-स्टेट THz एम्पलीफायर्स (SSPAs) कुछ शक्ति वृद्धि प्रदान कर सकते हैं, वे स्वाभाविक रूप से 50 mW से कम आउटपुट शक्ति और 30 dB से कम लाभ तक सीमित थे। 300 GHz से ऊपर यहां तक कि उन्नत ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर्स (TWTAs), हालांकि 1 W आउटपुट शक्ति और 18 dB लाभ की क्षमता रखते हैं, व्यावहारिक किलोमीटर-स्तरीय कवरेज के लिए आवश्यक मल्टी-वाट निरंतर-तरंग शक्ति और 30 dB से अधिक लाभ से कम थे। फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त योजनाएं, उच्च डेटा दर प्रदान करते हुए, आम तौर पर कुछ सौ मीटर की वायरलेस ट्रांसमिशन दूरी तक सीमित थीं। इन सीमाओं ने सामूहिक रूप से लंबी दूरी, उच्च-क्षमता वाले THz वायरलेस संचार को सक्षम करने के लिए THz शक्ति प्रवर्धन और रिसेप्शन संवेदनशीलता में एक सफलता की तत्काल आवश्यकता को उजागर किया।

सहज डोमेन शब्द

  • टेराहर्ट्ज़ (THz) बैंड: संपूर्ण रेडियो स्पेक्ट्रम को एक विशाल राजमार्ग प्रणाली के रूप में कल्पना करें। आपका वर्तमान वाई-फाई और मोबाइल डेटा विशिष्ट, अक्सर भीड़भाड़ वाली, लेन का उपयोग करते हैं। THz बैंड मौजूदा लेन से बहुत ऊपर एक ब्रांड-नई, सुपर-चौड़ी और ज्यादातर खाली "एक्सप्रेसवे" की तरह हैं। यह एक्सप्रेसवे अविश्वसनीय रूप से तेज डेटा ट्रैफ़िक के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे एक बार में भारी मात्रा में जानकारी भेजी जा सकती है, जो आज की भीड़भाड़ वाली डिजिटल सड़कों की तुलना में बहुत तेज है।
  • फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक तालमेल: इसे संदेश भेजने के लिए एक अत्यधिक विशिष्ट रिले टीम के रूप में सोचें। "फोटोनिक्स" (प्रकाश का उपयोग करना, जैसे फाइबर ऑप्टिक्स) प्रारंभिक, सुपर-तेज संदेश संकेत बनाने में उत्कृष्ट है, लेकिन यह बहुत कमजोर है। "इलेक्ट्रॉनिक्स" (पारंपरिक रेडियो तरंगों का उपयोग करना) तब इस कमजोर संकेत को लेता है, इसे एक शक्तिशाली प्रसारण में बढ़ाता है, और यहां तक कि सबसे कमजोर वापसी संदेशों को सुनने के लिए संवेदनशील कान भी रखता है। यह "तालमेल" प्रकाश और इलेक्ट्रॉनिक्स का एक स्मार्ट संयोजन है, प्रत्येक वह करता है जो वह सबसे अच्छा करता है, ताकि लंबी दूरी, उच्च-गति संचार प्राप्त किया जा सके जो कोई भी अकेले नहीं कर सकता था।
  • ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA): एक छोटी, कमजोर फुसफुसाहट की कल्पना करें जिसे एक विशाल कॉन्सर्ट हॉल में सुना जाना चाहिए। एक TWTA एक परिष्कृत, उच्च-शक्ति वाले मेगाफोन की तरह है। यह उस कमजोर THz संकेत को लेता है, इसे एक विशेष ट्यूब के माध्यम से निर्देशित करता है, और संकेत की ऊर्जा को "धक्का" और बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रॉनों की एक केंद्रित धारा का उपयोग करता है, जिससे यह अविश्वसनीय रूप से जोर से और मजबूत हो जाता है ताकि यह एक बड़ी दूरी तक यात्रा कर सके और स्पष्ट रूप से सुना जा सके। यह कमजोर संकेतों को शक्तिशाली बीम में बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण घटक है।
  • स्थानिक विविधता रिसेप्शन: यदि आप एक बहुत ही हवा वाले और अप्रत्याशित क्षेत्र में गेंद पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं, तो केवल एक हाथ का उपयोग करने से कई चूक हो सकती हैं। स्थानिक विविधता रिसेप्शन दो हाथों का उपयोग करने, या थोड़ी दूरी पर रखे गए दो अलग-अलग जाल का उपयोग करने जैसा है, ताकि एक ही गेंद को पकड़ा जा सके। भले ही हवा गेंद को घुमा दे और एक जाल चूक जाए, दूसरा उसे पकड़ सकता है, या आप एक बहुत स्पष्ट और अधिक विश्वसनीय पकड़ प्राप्त करने के लिए दोनों से जानकारी को जोड़ सकते हैं। यह संकेत रिसेप्शन को लुप्त होने या हस्तक्षेप के खिलाफ बहुत अधिक मजबूत बनाता है।

संकेतन तालिका

संकेतन विवरण इकाई
$G$ ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर्स (TWTAs) के लिए लाभ पैरामीटर आयामहीन
$K$ इंटरैक्शन प्रतिबाधा $\Omega$
$I_o$ डीसी बीम करंट A
$V_o$ डीसी बीम वोल्टेज V
$SNR_C$ संयोजन के बाद सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (विविधता रिसेप्शन) dB
$\Delta SNR_{C,max}$ विविधता रिसेप्शन से अधिकतम प्राप्त करने योग्य SNR लाभ dB

समस्या परिभाषा और बाधाएँ

मुख्य समस्या सूत्रीकरण और दुविधा

इस पत्र द्वारा संबोधित केंद्रीय समस्या 300 GHz से ऊपर काम करने वाले फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त टेराहर्ट्ज़ (THz) वायरलेस संचार प्रणालियों के लिए ट्रांसमिशन रेंज और डेटा दर में महत्वपूर्ण सीमा है।

इनपुट/वर्तमान स्थिति:
मौजूदा फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz प्रणालियाँ, विशेष रूप से 300 GHz से ऊपर काम करने वाली, निम्नलिखित द्वारा पहचानी जाती हैं:
- कम THz उत्सर्जन शक्ति: ऑप्टिकल-से-THz (O/T) रूपांतरण प्रक्रिया, आमतौर पर फोटोडायोड का उपयोग करके, 300 GHz बैंड और उससे ऊपर 2% से कम की शक्ति रूपांतरण दक्षता प्रदर्शित करती है। यह उत्पन्न THz सिग्नल की आउटपुट शक्ति को माइक्रोवाट स्तर तक सीमित करता है।
- गंभीर संकेत क्षरण: उच्च-आवृत्ति THz तरंगें महत्वपूर्ण आंतरिक प्रसार हानि से ग्रस्त हैं, जिसमें मुक्त स्थान पथ हानि और वायुमंडलीय अवशोषण शामिल हैं। उदाहरण के लिए, 300 GHz THz तरंग मानक परिस्थितियों में केवल 1 किमी वायुमंडलीय संचरण के बाद 150 dB से अधिक की कुल हानि का अनुभव करती है (चित्र 1b)।
- खराब प्राप्त संवेदनशीलता: कमजोर प्राप्त THz संकेत, सिस्टम शोर के साथ मिलकर, कम सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNRs) का परिणाम देते हैं, जो प्राप्त ट्रांसमिशन दूरी और डेटा दरों को और सीमित करते हैं।
- सीमित एम्पलीफायर प्रदर्शन: 300 GHz से ऊपर की अत्याधुनिक सॉलिड-स्टेट THz एम्पलीफायर्स कम प्रवर्धन लाभ और कम संतृप्ति आउटपुट शक्ति प्रदान करते हैं, जबकि यहां तक कि उन्नत ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) प्रोटोटाइप भी आमतौर पर केवल लगभग 1 W आउटपुट शक्ति और 18 dB लाभ प्रदान करते हैं। ये मेट्रिक्स किलोमीटर-स्तरीय कवरेज के लिए अपर्याप्त हैं, जिसके लिए मल्टी-वाट निरंतर-तरंग शक्ति और 30 dB से अधिक लाभ की आवश्यकता होती है।
- प्रतिबंधित वायरलेस दूरी: परिणामस्वरूप, पिछले फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz संचार योजनाओं को अधिकतम 850 मीटर (तालिका 2) की वायरलेस ट्रांसमिशन दूरी तक सीमित कर दिया गया था।

वांछित अंतिम बिंदु/लक्ष्य स्थिति:
पत्र का लक्ष्य 300 GHz से परे किलोमीटर-स्केल, उच्च-क्षमता वाले THz वायरलेस संचार को प्राप्त करना है। विशेष रूप से, लक्ष्य प्रदर्शित करना है:
- 335 GHz पर 2.2 किमी वायरलेस लिंक पर 27.84 Gbit s$^{-1}$ की रिकॉर्ड-तोड़ शुद्ध डेटा दर।
- 300 GHz से परे 61,248 Gbit s$^{-1} \cdot$ m का अभूतपूर्व दर-दूरी उत्पाद।
- उच्च-शक्ति वाले THz ट्रांसमीटर जो वाट-स्तरीय उत्सर्जन और उच्च-लाभ प्रवर्धन (जैसे, >50 dB) में सक्षम हैं।
- उच्च-संवेदनशीलता वाले THz रिसीवर, संभवतः विविधता रिसेप्शन द्वारा संवर्धित।

लुप्त कड़ी/गणितीय अंतर:
लुप्त कड़ी वह क्षमता है जो शक्ति सीमाओं और प्रसार हानियों को देखते हुए, THz आवृत्तियों पर किलोमीटर-स्केल दूरी पर पर्याप्त रूप से उच्च सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) बनाए रख सके। इसके लिए एक सहक्रियात्मक दृष्टिकोण की आवश्यकता है:
1. THz उत्सर्जन शक्ति को बढ़ावा देना: वाट-स्तरीय संचरण के लिए O/T रूपांतरण से माइक्रोवाट-स्तरीय आउटपुट को दूर करना।
2. उच्च प्रवर्धन लाभ प्राप्त करना: गंभीर पथ हानि की भरपाई करना।
3. रिसीविंग संवेदनशीलता बढ़ाना: रिसीवर पर कमजोर संकेतों का पता लगाना सुधारना।

पत्र गणितीय रूप से इस अंतर को उन घटकों और तकनीकों को विकसित करके पाटता है जो सामूहिक रूप से समग्र लिंक बजट को बढ़ाते हैं, जिससे किसी दी गई दूरी के लिए रिसीवर पर उच्च SNR सक्षम होता है। उदाहरण के लिए, एकल-उत्सर्जन और दोहरे-रिसेप्शन विविधता योजना के लिए सैद्धांतिक SNR लाभ 3 dB तक है, जैसा कि निम्न द्वारा दिखाया गया है:
$$ \text{ASNR}_{\text{max}} = \lim_{\text{SNR}_0 \to \infty} \frac{\text{SNR}}{\text{mean}(\text{SNR}_1, \text{SNR}_2)} = 2 \frac{\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2}{(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2)/2} = 2 $$
यह आदर्श परिस्थितियों में प्रभावी संकेत शक्ति के दोगुना होने या SNR में 3 dB लाभ का संकेत देता है, जो सीमा का विस्तार करने के लिए महत्वपूर्ण है।

दुविधा:
पिछले शोधकर्ता उच्च डेटा दर प्राप्त करने (जिसके लिए उच्च आवृत्तियों और बैंडविड्थ की आवश्यकता होती है) और ट्रांसमिशन दूरी का विस्तार करने (जिसके लिए उच्च शक्ति और कम हानि की आवश्यकता होती है) के बीच एक दर्दनाक व्यापार-बंद में फंस गए थे। विशेष रूप से:
- उच्च-आवृत्ति THz बनाम प्रसार हानि: जबकि 300 GHz से ऊपर के THz बैंड उच्च डेटा दरों के लिए विशाल बैंडविड्थ प्रदान करते हैं, वे स्वाभाविक रूप से अत्यधिक मुक्त स्थान पथ हानि और वायुमंडलीय अवशोषण के प्रति संवेदनशील होते हैं, जो ट्रांसमिशन रेंज को गंभीर रूप से सीमित करते हैं। आवृत्ति बढ़ाकर डेटा दर में सुधार सीधे सीमा समस्या को बढ़ाता है।
- फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त पीढ़ी बनाम आउटपुट शक्ति: फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz पीढ़ी उच्च-आवृत्ति और वाइडबैंड सिग्नल पीढ़ी के लिए उत्कृष्ट है, लेकिन इसकी कम O/T रूपांतरण दक्षता का मतलब है कि उत्पन्न THz शक्ति आम तौर पर माइक्रोवाट रेंज में होती है। यह कम शक्ति लंबी दूरी के लिंक के लिए उच्च प्रसार हानियों को दूर करने में असमर्थ है, जिससे फोटोनिक्स के लाभ और व्यावहारिक सीमा की आवश्यकता के बीच एक मौलिक संघर्ष पैदा होता है।
- TWTA प्रदर्शन बनाम भौतिक स्केलिंग सीमाएं: आवश्यक मल्टी-वाट शक्ति और उच्च लाभ प्राप्त करने के लिए THz आवृत्तियों तक TWTAs को स्केल करना गंभीर चुनौतियां पेश करता है। लाभ और आउटपुट शक्ति में सुधार अक्सर स्थिरता, निरंतर-तरंग संचालन और धीमे-तरंग संरचना में क्षीणन हानि और लघुकरण बाधाओं के कारण बैंडविड्थ की कीमत पर आता है।

बाधाएँ और विफलता मोड

समस्या कई कठोर, यथार्थवादी बाधाओं के कारण हल करना बेहद मुश्किल है:

भौतिक बाधाएँ:
- अत्यधिक प्रसार हानि: जैसा कि उल्लेख किया गया है, 300 GHz से ऊपर THz तरंगें किलोमीटर प्रति 150 dB से अधिक की विशाल वायुमंडलीय अवशोषण और मुक्त स्थान पथ हानि का अनुभव करती हैं। इसके लिए अत्यंत उच्च उत्सर्जन शक्ति और संवेदनशील रिसीवर की आवश्यकता होती है।
- कम ऑप्टिकल-से-THz (O/T) रूपांतरण दक्षता: वर्तमान O/T रूपांतरण प्रौद्योगिकियों (जैसे, UTC-PDs का उपयोग करके) की मौलिक सीमा का मतलब है कि ऑप्टिकल शक्ति का 2% से कम THz शक्ति में परिवर्तित होता है, जिसके परिणामस्वरूप स्रोत पर माइक्रोवाट-स्तरीय THz संकेत होते हैं।
- ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) स्केलिंग चुनौतियाँ:
- धीमे-तरंग संरचनाओं (SWS) में गंभीर क्षीणन हानि: THz आवृत्तियों पर, SWS, TWTAs का एक मुख्य घटक, महत्वपूर्ण क्षीणन हानि से ग्रस्त है, जो सीधे इलेक्ट्रॉन बीम और विद्युत चुम्बकीय तरंगों के बीच ऊर्जा हस्तांतरण दक्षता को खराब करता है, जिससे लाभ और आउटपुट शक्ति सीमित होती है।
- लघुकरण और गलत संरेखण: जैसे-जैसे TWTA घटक माइक्रोमीटर पैमाने तक सिकुड़ते हैं, इलेक्ट्रॉन बीम प्रक्षेपवक्र में मामूली गलत संरेखण भी संचरण दक्षता को काफी कम कर देता है और बीम-तरंग इंटरैक्शन को अस्थिर कर देता है।
- थर्मल लोडिंग: माइक्रोस्केल संरचनाओं में बीम स्कैटरिंग अत्यधिक थर्मल लोडिंग की ओर ले जाती है, जो निरंतर-तरंग संचालन में बाधा डालती है - THz संचार के लिए एक महत्वपूर्ण आवश्यकता।
- सतह की खुरदरापन: निर्माण प्रक्रियाएं SWS में सतह की खुरदरापन पेश करती हैं, जो उच्च-आवृत्ति वर्तमान पथ को लंबा करती है और कंडक्टर हानियों को बढ़ाती है, खासकर जब वर्ग-माध्य-मूल खुरदरापन त्वचा की गहराई $\delta = \sqrt{2/(\omega\mu\sigma)}$ से अधिक हो जाती है।
- सीमित TWTA बैंडविड्थ और लाभ समतलता: TWTAs का परिचालन बैंडविड्थ प्रतिबंधित हो सकता है, और लाभ परिचालन बैंडविड्थ में काफी भिन्न हो सकता है, जो प्राप्त करने योग्य ट्रांसमिशन दर और स्थिरता को सीमित करता है।

कम्प्यूटेशनल बाधाएँ:
- जटिल डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP): उच्च डेटा दर प्राप्त करने और रिसीविंग संवेदनशीलता में सुधार करने के लिए (जैसे, अधिकतम अनुपात संयोजन, MRC के माध्यम से), परिष्कृत DSP एल्गोरिदम की आवश्यकता होती है, जिसमें डाउन-रूपांतरण, रीसैंपलिंग, सिंक्रनाइज़ेशन, मिलान फ़िल्टरिंग, वाहक चरण अनुमान, और LSTM-ANN जैसे उन्नत इक्वलाइज़र शामिल हैं। इन प्रक्रियाओं के लिए महत्वपूर्ण कम्प्यूटेशनल शक्ति की आवश्यकता होती है और विलंबता पेश करती है।
- वास्तविक समय विलंबता आवश्यकताएँ: 5G नई रेडियो और उच्च-परिभाषा वीडियो ट्रांसमिशन जैसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए, पूरे संचार श्रृंखला, जिसमें DSP शामिल है, को सख्त वास्तविक समय विलंबता के साथ संचालित होना चाहिए, जो आवश्यक प्रसंस्करण की जटिलता को देखते हुए चुनौतीपूर्ण है।

डेटा-संचालित बाधाएँ:
- विविधता के लिए सांख्यिकीय स्वतंत्रता: विविधता रिसेप्शन योजनाओं की प्रभावशीलता इस धारणा पर निर्भर करती है कि दोष (जैसे, वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ प्रभाव, आंशिक गलत संरेखण) विभिन्न प्राप्त पथों में सांख्यिकीय रूप से स्वतंत्र हैं। यदि ये दोष अत्यधिक सहसंबद्ध हैं, तो विविधता के लाभ कम हो जाते हैं।
- मशीन लर्निंग इक्वलाइज़र के लिए डेटा: LSTM-ANN जैसे डेटा-संचालित इक्वलाइज़र को चैनल की खामियों को प्रभावी ढंग से सीखने और अनुकूलित करने के लिए पर्याप्त और विविध प्रशिक्षण डेटा की आवश्यकता होती है। इस डेटा की गुणवत्ता और मात्रा सीधे इक्वलाइज़र के प्रदर्शन को प्रभावित करती है।

इन भौतिक, कम्प्यूटेशनल और डेटा-संचालित बाधाओं का संयोजन किलोमीटर-स्केल, उच्च-क्षमता वाले THz वायरलेस संचार को प्राप्त करना एक दुर्जेय इंजीनियरिंग और वैज्ञानिक चुनौती बनाता है, जिसके लिए कई विषयों में नवीन समाधानों की आवश्यकता होती है।

Figure 1. Point-to-point long-range THz wireless communication based on a photonic–electronic converged solution. This work focuses on photonics-assisted THz signal generation with high-gain amplification at the transmitter and high-sensitivity THz reception at the receiver, enabling high-speed and long-range THz wireless communication. a Vision of a point-to-point long-range THz wireless link. In certain scenarios where optical fiber deployment is inconvenient or extremely expensive, high-speed THz wireless links can replace optical fibers to reduce overall deployment costs. b Air propagation loss of THz waves for standard conditions (temperature, 25 °C; relative humidity, 40%; standard atmospheric pressure). The total link loss of THz waves above 300 GHz exceeds 150 dB. c Concept of a THz transceiver based on a photonic–electronic converged solution. The photonics- assisted approach is used for high-frequency and high-speed THz signal generation. One high-gain TWTA is used to amplify the power of the resultant THz signal before emission, enough to overcome high path losses. Insets A and B show the corresponding optical and electrical spectra before and after O/T, respectively. Inset C shows the electrical spectrum after T/E. LD laser diode, OC optical coupler, O/T optical-to-THz conversion, T/ E THz-to-electric conversion, Tx transmitter, Rx receiver, TWTA traveling wave tube amplifier, IF intermediate frequency

यह दृष्टिकोण क्यों

चुनाव की अनिवार्यता

हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक तालमेल का पीछा करने का लेखकों का निर्णय, विशेष रूप से उच्च-शक्ति निरंतर-तरंग ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) और विविधता रिसेप्शन योजना को शामिल करना, मनमाना नहीं था, बल्कि 300 GHz से परे किलोमीटर-स्केल टेराहर्ट्ज़ (THz) संचार के लिए मौजूदा प्रौद्योगिकियों की मौलिक सीमाओं की प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया थी।

महत्वपूर्ण मोड़ जहां पारंपरिक तरीके अपर्याप्त साबित हुए, जब उच्च-आवृत्ति THz संचरण की गंभीर चुनौतियों पर विचार किया गया, तो स्पष्ट हो गया। सबसे पहले, आंतरिक प्रसार हानि, जिसमें मुक्त स्थान पथ हानि और वायुमंडलीय अवशोषण शामिल है, 300 GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर असाधारण रूप से उच्च है, जो अक्सर केवल 1 किमी से अधिक 150 dB से अधिक होती है (चित्र 1b)। इसके लिए एक व्यवहार्य संकेत को लंबी दूरी पर बनाए रखने के लिए अत्यंत उच्च उत्सर्जन शक्ति की आवश्यकता होती है। दूसरे, फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz पीढ़ी, उच्च-आवृत्ति और बड़े-बैंडविड्थ संकेतों के लिए उत्कृष्ट होने के बावजूद, आम तौर पर फोटोडायोड का उपयोग करके ऑप्टिकल-से-THz (O/T) रूपांतरण पर निर्भर करती है, जिसकी इस बैंड में शक्ति रूपांतरण दक्षता 2% से कम होती है। यह आउटपुट शक्ति को माइक्रोवाट स्तर तक सीमित करता है।

लेखकों ने स्पष्ट रूप से कहा है कि "THz वायरलेस ट्रांसमिशन दूरी का विस्तार प्रमुख प्रवर्धन घटकों पर निर्भर रहना चाहिए।" हालांकि, 300 GHz से ऊपर की अत्याधुनिक सॉलिड-स्टेट THz एम्पलीफायर्स (SSPAs), कुछ शक्ति वृद्धि में सक्षम होने के बावजूद, मौलिक रूप से "कम प्रवर्धन लाभ और कम संतृप्ति आउटपुट शक्ति" द्वारा सीमित हैं। तालिका 1 में दिखाए अनुसार, SSPAs आम तौर पर 50 mW से कम आउटपुट शक्ति और 30 dB से कम लाभ प्रदान करते हैं, जो किलोमीटर-स्केल लिंक के लिए भारी लिंक हानियों को दूर करने के लिए आवश्यक की तुलना में परिमाण के कई आदेशों से कम है। इस अहसास ने वैक्यूम-इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित TWTAs को, जो अपनी "उच्च शक्ति क्षमता, उच्च संकेत लाभ, और उच्च विश्वसनीयता" के लिए जाने जाते हैं, आवश्यक वाट-स्तरीय निरंतर-तरंग आउटपुट शक्ति और उच्च लाभ प्राप्त करने के लिए एकमात्र व्यवहार्य मार्ग बना दिया।

तुलनात्मक श्रेष्ठता

चुने हुए दृष्टिकोण ने कई संरचनात्मक और परिचालन लाभों के माध्यम से पिछले स्वर्ण मानकों पर गुणात्मक श्रेष्ठता प्रदर्शित की है, जो केवल प्रदर्शन मेट्रिक्स से परे है।

प्रवर्धन के लिए, वैक्यूम-इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित TWTA, विशेष रूप से संशोधित सर्कुलर बेंड (MCB) फोल्डेड वेवगाइड (FWG) स्लो-वेव स्ट्रक्चर (SWS) की विशेषता वाला उपन्यास डिजाइन, सॉलिड-स्टेट पावर एम्पलीफायर्स (SSPAs) पर भारी फायदे प्रदान करता है। TWTAs स्वाभाविक रूप से "उच्च शक्ति क्षमता, उच्च संकेत लाभ, और उच्च विश्वसनीयता" (पृष्ठ 3) रखते हैं। महत्वपूर्ण रूप से, वे वाट-स्तरीय आउटपुट शक्ति प्राप्त कर सकते हैं, "तुलनात्मक आवृत्तियों पर सॉलिड-स्टेट पावर एम्पलीफायर्स (SSPAs) से एक परिमाण से अधिक बेहतर प्रदर्शन करते हैं" (पृष्ठ 3)। MCB FWG SWS की संरचनात्मक नवीनता, जो वेवगाइड के बेंड वक्रता को बढ़ाने के लिए ज्यामितीय लोडिंग का परिचय देती है, इंटरैक्शन क्षेत्र में अक्षीय विद्युत क्षेत्र को काफी बढ़ाती है। यह सीधे बीम-वेव कपलिंग गतिशीलता में सुधार करता है, जिससे 335 GHz पर 0.28 Ω (पिछले SDV डिजाइनों के लिए) से 1.7 Ω तक कपलिंग प्रतिबाधा में छह गुना छलांग लगती है (चित्र 2d)। यह संवर्धित कपलिंग प्रतिबाधा एक मौलिक संरचनात्मक लाभ है, क्योंकि TWTAs में लाभ पैरामीटर $G$ सीधे इंटरैक्शन प्रतिबाधा $K$ के समानुपाती होता है, जैसा कि निम्न द्वारा दिया गया है:

$$G = \left(\frac{K I_0}{4 V_0}\right)^{1/3}$$

यह संरचनात्मक सुधार TWTA को 3.82 W तक निरंतर आउटपुट शक्ति और 50 dB से अधिक का सिग्नल लाभ प्राप्त करने में सक्षम बनाता है, जो SSPAs और यहां तक कि पिछले TWTA डिजाइनों की क्षमताओं से कहीं अधिक है।

रिसेप्शन के लिए, LSTM-ANN-आधारित मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) के साथ विविधता रिसेप्शन योजना पारंपरिक सिंगल-इनपुट सिंगल-आउटपुट (SISO) लिंक की तुलना में बेहतर मजबूती और संवेदनशीलता प्रदान करती है। यह विधि गुणात्मक रूप से उच्च-आयामी शोर और चैनल की खामियों को बेहतर ढंग से संभालती है। एक SISO लिंक में, वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ प्रभाव और आंशिक गलत संरेखण जैसे मुद्दे महत्वपूर्ण हैं और गहरे लुप्त होने का कारण बन सकते हैं। इसके विपरीत, विविधता रिसेप्शन योजना दो स्वतंत्र प्राप्त पथों का लाभ उठाती है। चूंकि दोष सांख्यिकीय रूप से विभिन्न प्राप्त पथों में स्वतंत्र होते हैं, "दोनों पथों के एक साथ गहरे लुप्त होने से गुजरने की संभावना SISO लिंक की तुलना में काफी कम होती है" (पृष्ठ 9)। इसके अलावा, LSTM-ANN कंबाइनर एक बुद्धिमान इक्वलाइज़ेशन रणनीति के रूप में कार्य करता है, जो दो इनपुट पथों के लिए स्वचालित रूप से भार गुणांक को अनुकूलित करता है, जिससे समग्र ट्रांसमिशन प्रदर्शन में काफी सुधार होता है और 2.9 dB तक का एक महत्वपूर्ण SNR लाभ प्राप्त होता है (चित्र 5e)। यह संरचनात्मक लाभ गतिशील बाहरी वातावरण में एक अधिक स्थिर और विश्वसनीय लिंक प्रदान करता है।

बाधाओं के साथ संरेखण

उच्च-शक्ति TWTA और विविधता रिसेप्शन के साथ चुनी गई हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण, 300 GHz से परे किलोमीटर-स्केल, उच्च-गति THz वायरलेस संचार प्राप्त करने की कठोर बाधाओं के साथ पूरी तरह से संरेखित है। समस्या की कठोर आवश्यकताओं और समाधान के अद्वितीय गुणों के बीच यह "विवाह" कई प्रमुख पहलुओं में स्पष्ट है।

प्राथमिक बाधा 300 GHz से ऊपर की आवृत्तियों पर गंभीर पथ हानि और वायुमंडलीय अवशोषण को दूर करना है, जो आसानी से 150 dB/km से अधिक हो सकती है। उच्च-शक्ति निरंतर-तरंग TWTA 3.82 W की अभूतपूर्व आउटपुट शक्ति और 52 dB का लाभ (तालिका 1) प्रदान करके सीधे इसे संबोधित करता है। यह वाट-स्तरीय उत्सर्जन शक्ति 2.2 किमी की दूरी पर भारी लिंक हानियों का मुकाबला करने के लिए आवश्यक है। TWTA का निरंतर-तरंग संचालन मोड भी व्यावहारिक THz संचार के लिए एक मौलिक आवश्यकता है, जो निरंतर उच्च-शक्ति संचरण सुनिश्चित करता है।

एक और महत्वपूर्ण बाधा फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz पीढ़ी से कम आउटपुट शक्ति (<2% O/T रूपांतरण दक्षता के कारण माइक्रोवाट स्तर) है। TWTA उत्सर्जन से पहले इस कमजोर संकेत को वाट स्तर तक बढ़ाने वाले महत्वपूर्ण प्रवर्धन चरण के रूप में कार्य करता है, जिससे लंबी दूरी का संचरण संभव हो जाता है।

उच्च-गति डेटा दरों के लिए, सिस्टम अपनी अंतर्निहित बड़ी बैंडविड्थ क्षमताओं के लिए फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz पीढ़ी का लाभ उठाता है। विविधता रिसेप्शन योजना, LSTM-ANN-आधारित MRC प्रसंस्करण के साथ मिलकर, इसे और बढ़ाता है। यह सिस्टम को 5.5 GBaud के बजाय 8.7 GBaud की उच्च बॉड दर पर 25% SD-FEC BER थ्रेशोल्ड को पूरा करने में सक्षम बनाता है, जिससे ट्रांसमिशन दर 34.8 Gbit s$^{-1}$ तक बढ़ जाती है। यह दसियों या सैकड़ों गीगाबिट प्रति सेकंड की मांग का सीधे समर्थन करता है।

अंत में, चुनौतीपूर्ण बाहरी वातावरण (जैसे, शहरी नदियाँ, चित्र 4c) के प्रति सिस्टम की मजबूती विविधता रिसेप्शन योजना द्वारा पूरी की जाती है। दो स्थानिक रूप से अलग किए गए रिसीवर से संकेतों को जोड़कर, सिस्टम वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ लुप्त होने और आंशिक गलत संरेखण के प्रभावों को कम करता है, जो वास्तविक दुनिया की तैनाती में आम हैं। यह विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में भी एक स्थिर और विश्वसनीय लिंक सुनिश्चित करता है। LSTM-ANN कंबाइनर द्वारा प्रदान की गई बुद्धिमान इक्वलाइज़ेशन इस मजबूती को और परिष्कृत करती है।

विकल्पों का अस्वीकरण

पत्र ने 300 GHz से परे लंबी दूरी, उच्च-गति THz संचार की विशिष्ट समस्या के लिए उनकी अंतर्निहित सीमाओं को उजागर करते हुए, वैकल्पिक दृष्टिकोणों को अस्वीकार करने के लिए स्पष्ट तर्क प्रदान किया है।

सॉलिड-स्टेट पावर एम्पलीफायर्स (SSPAs) पर विशेष रूप से विचार किया गया और अपर्याप्त होने के कारण खारिज कर दिया गया। जबकि THz आवृत्तियों के लिए SSPAs मौजूद हैं, लेखकों ने नोट किया कि "किलोमीटर स्तर की ओर लंबी दूरी के THz वायरलेस ट्रांसमिशन, फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz संचार के लिए, अभी भी महान चुनौतियों का सामना कर रहा है, जो कम प्रवर्धन लाभ और कम संतृप्ति आउटपुट शक्ति द्वारा सीमित है" (पृष्ठ 2)। तालिका 1 मात्रात्मक रूप से इस अस्वीकृति का समर्थन करती है, जिसमें दिखाया गया है कि 280-328 GHz रेंज में अत्याधुनिक SSPAs आम तौर पर 50 mW से कम अधिकतम शक्ति और 30 dB से कम लाभ प्रदान करते हैं। इसके विपरीत, प्रस्तावित TWTA 3.82 W और 52 dB लाभ प्राप्त करता है, जो किलोमीटर-स्केल लिंक के लिए आवश्यक सैकड़ों डेसिबल हानि को दूर करने के लिए अपर्याप्त होने के कारण SSPAs को अव्यवहार्य बनाता है।

पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित THz पीढ़ी योजनाओं को भी कागज के विशिष्ट लक्ष्यों के लिए अपर्याप्त माना गया, विशेष रूप से उच्च डेटा दर और ऑपरेटिंग आवृत्तियों के संबंध में। जबकि इलेक्ट्रॉनिक-आधारित योजनाएं 300 GHz पर अपेक्षाकृत उच्च आउटपुट शक्ति और लंबी वायरलेस दूरी प्राप्त कर सकती हैं, वे एक मौलिक "इलेक्ट्रॉनिक बाधा [जो] स्वाभाविक रूप से ट्रांसमिशन दर और ऑपरेटिंग THz वाहक आवृत्ति को सीमित करती है" (पृष्ठ 11) से ग्रस्त हैं। पत्र "मल्टी-स्टेज फ्रीक्वेंसी मल्टीप्लायर चेन से मॉडुलन दर इलेक्ट्रॉनिक बाधा बाधाओं के कारण, बढ़ी हुई मल्टीप्लिकेटिव शोर और रूपांतरण हानि, और बढ़ी हुई एकीकरण कठिनाइयों" (पृष्ठ 11) जैसे मुद्दों को इंगित करता है। इसके विपरीत, फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त योजनाएं, जो इस हाइब्रिड दृष्टिकोण के पीढ़ी भाग का निर्माण करती हैं, "उच्च-आवृत्ति, बड़े-बैंडविड्थ, और अल्ट्रा-हाई-स्पीड वायरलेस ट्रांसमिशन" (पृष्ठ 10) को सक्षम करने में बेहतर हैं। इसलिए, एक विशुद्ध रूप से इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण अगली पीढ़ी के वायरलेस संचार की उच्च-क्षमता वाली मांगों को पूरा करने में विफल रहेगा।

अंत में, पारंपरिक सिंगल-इनपुट सिंगल-आउटपुट (SISO) वायरलेस लिंक को चुनौतीपूर्ण वातावरण में उनकी मजबूती की कमी के लिए अस्वीकार कर दिया गया। पत्र इस बात पर प्रकाश डालता है कि "वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ प्रभाव, और आंशिक गलत संरेखण जैसे मुद्दे एक पारंपरिक सिंगल-इनपुट सिंगल-आउटपुट (SISO) लिंक के लिए महत्वपूर्ण हैं" (पृष्ठ 9)। प्रस्तावित विविधता रिसेप्शन योजना, दो स्वतंत्र प्राप्त पथों और बुद्धिमान एमआरसी प्रसंस्करण का उपयोग करके, सीधे इन कमजोरियों को संबोधित करती है। दोनों पथों के एक साथ गहरे लुप्त होने का अनुभव करने की संभावना SISO लिंक की तुलना में काफी कम है, जिससे विविधता दृष्टिकोण लंबी दूरी के THz संचार के लिए स्वाभाविक रूप से अधिक मजबूत और विश्वसनीय बन जाता है।

Figure 2. Design of a 335 GHz continuous-wave TWTA. a Assembly drawing of the TWTA module. b Enlarged diagram of SWS; MCB SWS is used in this TWTA. c A two-section MCB model in CST Particle Studio. Different sections have different effects on electron bunching. d Coupling impedance comparison between SDV and MCBs. e Brillouin zone diagram of the MCBs with a beam line of 19 kV. The first and second modes are the electric field distributions of the first and second eigenmodes, respectively, with both corresponding to the TE10 mode. f Transmission loss of MCBs. g Normalized phase velocity of MCBs. h Simulated output power and gain of the 335 GHz TWTA. i Frequency spectrum at 335 GHz. SWS slow-wave structure, PPM periodic permanent magnet, FWG folded waveguide, MCBs modified circular bends, SDV staggered double vane

गणितीय और तार्किक तंत्र

मास्टर समीकरण

विविधता रिसेप्शन योजना को शक्ति प्रदान करने वाला मुख्य गणितीय इंजन, जो इस पत्र की लंबी दूरी के THz संचार प्रणाली का एक महत्वपूर्ण घटक है, निम्नलिखित दो समीकरणों में समाहित है। ये समीकरण बताते हैं कि सिग्नल की गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए कई प्राप्त चैनलों से संकेतों को कैसे संयोजित किया जाता है।

पहला समीकरण मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) प्रसंस्करण के बाद संयुक्त सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात ($\text{SNR}_{\text{C}}$) को परिभाषित करता है:

$$ \text{SNR}_{\text{C}} = \frac{\text{SNR}_0(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2) - 2\text{SNR}_0\text{SNR}_1\text{SNR}_2}{\text{SNR}_0 - \text{SNR}_1\text{SNR}_2} \quad (2) $$

दूसरा समीकरण आदर्श परिस्थितियों में अधिकतम प्राप्त करने योग्य SNR लाभ ($\text{ASNR}_{\text{C,max}}$) को मापता है:

$$ \text{ASNR}_{\text{C,max}} = \lim_{\text{SNR}_0 \to \infty} \frac{\text{SNR}_{\text{C}}}{\text{mean}(\text{SNR}_1, \text{SNR}_2)} = \frac{\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2}{(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2)/2} = 2 \quad (3) $$

पद-दर-पद विच्छेदन

आइए इन समीकरणों के प्रत्येक घटक का विश्लेषण करें ताकि समग्र गणितीय और तार्किक तंत्र में इसकी भूमिका को समझा जा सके।

  • $\text{SNR}_{\text{C}}$ (संयुक्त सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात)

    1. गणितीय परिभाषा: यह संयुक्त संकेत का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात है, जिसकी गणना दो विविधता रिसेप्शन चैनलों से इष्टतम भारण और संयोजन रणनीति लागू करने के बाद की जाती है।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका: $\text{SNR}_{\text{C}}$ विविधता योजना की प्रभावशीलता के लिए महत्वपूर्ण है, जो सिस्टम द्वारा प्राप्त अंतिम सिग्नल गुणवत्ता का प्रतिनिधित्व करता है। यहाँ एक उच्च मान का अर्थ एक स्पष्ट संकेत है, जो सीधे एक निम्न बिट त्रुटि दर (BER) में तब्दील होता है और उच्च डेटा दरों और लंबी ट्रांसमिशन दूरी को सक्षम बनाता है।
    3. यह संरचना क्यों: इस समीकरण की विशिष्ट बीजगणितीय संरचना, जिसमें जोड़, घटाव और गुणा का संयोजन शामिल है, दो भारित और संयुक्त संकेतों के लिए सामान्य SNR अभिव्यक्ति में इष्टतम भार गुणांक $w$ (संयुक्त संकेत के SNR को अधिकतम करने से प्राप्त) को प्रतिस्थापित करने का परिणाम है, जिसके बाद बीजगणितीय सरलीकरण किया जाता है। पत्र पूरक सूचना S3 में एक विस्तृत व्युत्पत्ति का उल्लेख करता है, जिस तक मेरी पहुंच नहीं है, लेकिन इसका रूप मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) की विशेषता है जहां व्यक्तिगत चैनल SNRs को एक संवर्धित समग्र SNR प्राप्त करने के लिए जोड़ा जाता है।

  • $\text{SNR}_0$ (प्रारंभिक सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात)

    1. गणितीय परिभाषा: PTFE THz लेंस से गुजरने के तुरंत बाद प्राप्त संकेत का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात, लेकिन व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक प्राप्त चैनलों से श्वेत गाऊसी शोर (AWGN) के परिचय से पहले।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका: यह शब्द वायरलेस लिंक से आने वाली THz तरंग की आधारभूत संकेत गुणवत्ता का प्रतिनिधित्व करता है, जो व्यक्तिगत रिसीवर इलेक्ट्रॉनिक्स से शोर योगदान से पहले है। महत्वपूर्ण प्रसार हानि वाले परिदृश्यों में, पत्र नोट करता है कि $\text{SNR}_0$ आम तौर पर व्यक्तिगत चैनलों ($\text{SNR}_1, \text{SNR}_2$) के SNRs की तुलना में बहुत अधिक होता है, जिसका अर्थ है कि रिसीवर शोर प्रदर्शन को सीमित करने वाला प्रमुख कारक है।
    3. यह ऑपरेटर क्यों: यह रिसेप्शन श्रृंखला में एक विशिष्ट बिंदु पर संकेत गुणवत्ता का प्रतिनिधित्व करते हुए, एमआरसी गणना के लिए एक मूलभूत इनपुट पैरामीटर के रूप में कार्य करता है। अंश और हर दोनों में इसकी उपस्थिति, व्यक्तिगत चैनल शोर जोड़े जाने से पहले समग्र संकेत और शोर घटकों पर इसके प्रभाव को दर्शाती है।

  • $\text{SNR}_1$ (चैनल 1 सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात)

    1. गणितीय परिभाषा: पहले स्वतंत्र प्राप्त चैनल के माध्यम से प्राप्त संकेत का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात, जिसमें उसका विशिष्ट श्वेत गाऊसी शोर शामिल है।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका: यह शब्द विविधता रिसेप्शन सेटअप में पहले पथ की संकेत गुणवत्ता को मापता है। एक विविधता योजना में, सांख्यिकीय रूप से स्वतंत्र शोर और लुप्त होने वाली विशेषताओं वाले कई पथ होना समग्र सिस्टम विश्वसनीयता और संवेदनशीलता में सुधार के लिए महत्वपूर्ण है।
    3. यह ऑपरेटर क्यों: यह एक घटक SNR है, जिसे एमआरसी प्रक्रिया में शोर घटकों की परस्पर क्रिया को ध्यान में रखते हुए, संयुक्त संकेत शक्ति योगदान को दर्शाने के लिए अंश में $\text{SNR}_2$ के साथ योगात्मक रूप से जोड़ा जाता है, और हर में गुणात्मक रूप से।

  • $\text{SNR}_2$ (चैनल 2 सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात)

    1. गणितीय परिभाषा: दूसरे स्वतंत्र प्राप्त चैनल के माध्यम से प्राप्त संकेत का सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात, जिसमें उसका विशिष्ट श्वेत गाऊसी शोर शामिल है।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका: $\text{SNR}_1$ के सममित, यह शब्द दूसरे स्वतंत्र प्राप्त पथ की संकेत गुणवत्ता को मापता है। विविधता योजना इन दो चैनलों में शोर और लुप्त होने की सांख्यिकीय स्वतंत्रता का लाभ उठाती है ताकि एक अधिक मजबूत संकेत प्राप्त किया जा सके।
    3. यह ऑपरेटर क्यों: इसकी भूमिका $\text{SNR}_1$ के सममित है, जो एमआरसी सूत्र में संयुक्त संकेत और शोर की परस्पर क्रिया में योगदान करती है।

  • $\text{ASNR}_{\text{C,max}}$ (अधिकतम प्राप्त करने योग्य SNR लाभ)

    1. गणितीय परिभाषा: प्रारंभिक सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात ($\text{SNR}_0$) अनंत तक पहुंचने की आदर्श स्थिति के तहत, व्यक्तिगत चैनल SNRs के माध्य के सापेक्ष संयुक्त संकेत के SNR लाभ की सैद्धांतिक ऊपरी सीमा।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका: यह शब्द विविधता रिसेप्शन योजना द्वारा प्रदान किए गए प्रदर्शन सुधार के लिए एक सैद्धांतिक बेंचमार्क प्रदान करता है। 2 (या 3 dB) का मान इंगित करता है कि, आदर्श रूप से, एमआरसी व्यक्तिगत चैनल SNRs के औसत की तुलना में सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात को दोगुना कर सकता है, जो कमजोर संकेतों के लिए एक महत्वपूर्ण वृद्धि है।
    3. यह ऑपरेटर क्यों: सीमा ऑपरेशन ($\lim_{\text{SNR}_0 \to \infty}$) का उपयोग आदर्श परिस्थितियों (यानी, जब प्रारंभिक संकेत इतना मजबूत होता है कि रिसीवर शोर ही एकमात्र महत्वपूर्ण खराबी होती है) के तहत सिस्टम के स्पर्शोन्मुख व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है। अनुपात रूप "लाभ" को परिभाषित करता है, और $\text{SNR}_1$ और $\text{SNR}_2$ के माध्य से विभाजन लाभ को एकल रिसीवर के औसत प्रदर्शन के मुकाबले सामान्यीकृत करता है।

  • गणितीय ऑपरेटर (जैसे, जोड़ $+$, घटाव $-$, गुणा $\times$, भाग $/$, सीमा $\lim$)

    1. गणितीय परिभाषा: ये मानक अंकगणितीय संचालन और एक गणितीय सीमा की अवधारणा हैं, जो मात्रात्मक विश्लेषण के लिए मौलिक हैं।
    2. भौतिक/तार्किक भूमिका:
      • जोड़ ($+$): विभिन्न स्रोतों या चैनलों से संकेत शक्तियों के सुसंगत संयोजन या शोर शक्तियों के संचय का प्रतिनिधित्व करता है। एमआरसी में, संकेतों को रचनात्मक रूप से जोड़ा जाता है।
      • घटाव ($-$): इष्टतम भारण कारकों या सरलीकृत SNR अभिव्यक्तियों की व्युत्पत्ति के दौरान उत्पन्न होने वाले विशिष्ट घटकों को अलग करने या अंतर का प्रतिनिधित्व करने के लिए उपयोग किया जाता है।
      • गुणा ($\times$): विभिन्न SNR शब्दों के बीच स्केलिंग, भारण, या परस्पर क्रिया को दर्शाता है, विशेष रूप से हर में जहां शोर की परस्पर क्रिया को मॉडल किया जाता है।
      • भाग ($/$): अनुपात को परिभाषित करता है, विशेष रूप से SNR स्वयं (सिग्नल शक्ति को शोर शक्ति से विभाजित), और लाभ (आउटपुट SNR को इनपुट SNR से विभाजित)।
      • सीमा ($\lim$): विशिष्ट आदर्श परिस्थितियों (जैसे, बहुत उच्च प्रारंभिक SNR) के तहत सिस्टम के स्पर्शोन्मुख व्यवहार का विश्लेषण करने के लिए नियोजित किया जाता है, जिससे सैद्धांतिक अधिकतम की व्युत्पत्ति की अनुमति मिलती है।
    3. ये ऑपरेटर क्यों: इन ऑपरेटरों को चुना जाता है क्योंकि वे सिग्नल संयोजन, शोर संचय, और सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात और संचार सिद्धांत में लाभ की मौलिक परिभाषा की भौतिक प्रक्रियाओं को सटीक रूप से मॉडल करते हैं। विशिष्ट व्यवस्था मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) सिद्धांत का परिणाम है, जिसका उद्देश्य प्रत्येक प्राप्त संकेत को उसके तात्कालिक SNR के अनुसार भारित करके आउटपुट SNR को अधिकतम करना है।

चरण-दर-चरण प्रवाह

आइए इस फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक अभिसरण प्रणाली के माध्यम से एक अमूर्त डेटा बिंदु की यात्रा का पता लगाएं, जो रिसेप्शन और प्रसंस्करण पहलू पर ध्यान केंद्रित करता है। कल्पना करें कि हमारा डेटा बिंदु दो ट्यून करने योग्य लेजर डायोड द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल संकेतों पर एन्कोड किया गया है।

  1. ऑप्टिकल सिग्नल उत्पत्ति: हमारा डेटा बिंदु दो ट्यून करने योग्य लेजर डायोड (LD1, LD2) द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल संकेतों पर एन्कोड किया गया है। इन ऑप्टिकल संकेतों को फिर मॉड्यूलेट और संयोजित किया जाता है।
  2. THz रूपांतरण: संयुक्त ऑप्टिकल सिग्नल एक यूनि-ट्रैवलिंग कैरियर फोटोडायोड (UTC-PD) में प्रवेश करता है, जो एक छोटे कारखाने की तरह काम करता है, ऑप्टिकल ऊर्जा को एक कमजोर टेराहर्ट्ज़ (THz) विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। हमारा डेटा बिंदु अब एक THz तरंग की सवारी कर रहा है।
  3. THz प्रवर्धन: यह कमजोर THz संकेत, अभी भी हमारे डेटा बिंदु को ले जा रहा है, फिर एक शक्तिशाली निरंतर-तरंग ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) में फीड किया जाता है। यह एम्पलीफायर एक सुपरचार्जर की तरह है, जो लंबी यात्रा के लिए तैयार करने के लिए संकेत की शक्ति को काफी बढ़ाता है (जैसे, कई वाट तक)।
  4. वायरलेस ट्रांसमिशन: अब प्रवर्धित THz संकेत को एक एंटीना के माध्यम से हवा में लॉन्च किया जाता है। हमारा डेटा बिंदु 2.2 किमी की दूरी तय करता है, वायुमंडलीय अवशोषण और संभावित लुप्त होने जैसी चुनौतियों का सामना करता है। यह प्राप्त करने वाले छोर पर काफी कमजोर और शोर से दूषित होकर पहुंचता है।
  5. विविधता रिसेप्शन: रिसीवर पर, एक विशेष PTFE लेंस क्षीण THz शक्ति को अधिकतम करने के लिए आने वाली THz तरंग को केंद्रित करता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह केंद्रित तरंग दो अलग-अलग THz रिसीवर पर निर्देशित होती है, जो 5 सेमी की दूरी पर स्थित होते हैं। हमारा एकल डेटा बिंदु, अब कमजोर और शोरगुल वाला, एक साथ रिसीवर 1 (Rx1) और रिसीवर 2 (Rx2) दोनों द्वारा कैप्चर किया जाता है। चूंकि वे थोड़े अलग हैं, प्रत्येक प्राप्त संकेत पर शोर और लुप्त होने के प्रभाव भिन्न हो सकते हैं, जिससे हमारे डेटा बिंदु के दो अलग-अलग "दृश्य" मिलते हैं।
  6. THz-से-इलेक्ट्रिक रूपांतरण और डिजिटलीकरण: प्रत्येक रिसीवर (Rx1 और Rx2) स्वतंत्र रूप से अपने प्राप्त THz सिग्नल को एक मध्यवर्ती आवृत्ति (IF) विद्युत संकेत में परिवर्तित करता है। इस स्तर पर, प्रत्येक पथ का अपना सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात ($\text{SNR}_1$ और $\text{SNR}_2$) होता है, जो वायरलेस यात्रा के बाद संकेत की गुणवत्ता और व्यक्तिगत रिसीवर द्वारा जोड़े गए शोर को दर्शाता है। $\text{SNR}_0$ शब्द इस व्यक्तिगत रिसीवर शोर को जोड़े जाने से पहले संकेत गुणवत्ता का प्रतिनिधित्व करता है। इन एनालॉग IF संकेतों को फिर डिजिटाइज़ किया जाता है।
  7. डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP) - पूर्व-प्रसंस्करण: दो डिजिटाइज़्ड IF सिग्नल (CH1 और CH2 से) DSP मॉड्यूल में प्रवेश करते हैं। यहां, वे प्रारंभिक प्रसंस्करण से गुजरते हैं: बेस बैंड में डाउन-रूपांतरण, रीसैंपलिंग, सिंक्रनाइज़ेशन, मिलान फ़िल्टरिंग, और वाहक चरण अनुमान। यह सुनिश्चित करता है कि हमारे डेटा बिंदु के दो संस्करण समय और आवृत्ति में पूरी तरह से संरेखित हों।
  8. LSTM-ANN-आधारित एमआरसी प्रसंस्करण: यह तार्किक तंत्र का दिल है। दो पूर्व-संसाधित संकेतों को एक लॉन्ग शॉर्ट-टर्म मेमोरी-आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क (LSTM-ANN) इक्वलाइज़र में फीड किया जाता है, जो मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) करता है। LSTM-ANN गतिशील रूप से दो प्राप्त संकेतों में से प्रत्येक के लिए एक "इष्टतम भार गुणांक" ($w$) की गणना करता है। यह भारण बुद्धिमान है: यह उस संकेत पथ को अधिक जोर (उच्च भार) देता है जिसमें वर्तमान में बेहतर गुणवत्ता (उच्च SNR) है और कम जोर शोरगुल वाले पथ को देता है।
  9. सिग्नल संयोजन: दो भारित संकेतों को फिर सुसंगत रूप से जोड़ा जाता है। यह एक साधारण औसत नहीं है; यह एक परिष्कृत योग है जिसे आउटपुट SNR को अधिकतम करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। $\text{SNR}_{\text{C}}$ समीकरण (2) इस बुद्धिमान संयोजन के बाद परिणामी, संवर्धित सिग्नल गुणवत्ता का गणितीय रूप से वर्णन करता है।
  10. आउटपुट: संयुक्त, उच्च-SNR संकेत, जो हमारे ठीक किए गए डेटा बिंदु का प्रतिनिधित्व करता है, को आगे की प्रसंस्करण के लिए पारित किया जाता है, जैसे बिट त्रुटि दर (BER) गणना। $\text{ASNR}_{\text{C,max}}$ समीकरण (3) हमें बताता है कि, आदर्श रूप से, यह एमआरसी प्रक्रिया SNR को दोगुना कर सकती है, जिससे कमजोर डेटा बिंदु बहुत स्पष्ट हो जाता है और मजबूत लंबी दूरी के संचार को सक्षम बनाता है। यह पूरी प्रक्रिया एक परिष्कृत असेंबली लाइन की तरह काम करती है, जहां डेटा बिंदु को परिवर्तित, प्रवर्धित, प्रेषित किया जाता है, और फिर अधिकतम स्पष्टता प्राप्त करने के लिए कई शोरगुल वाले अवलोकनों से बुद्धिमानी से पुनर्निर्मित किया जाता है।

अनुकूलन गतिशीलता

इस प्रणाली में अनुकूलन गतिशीलता मुख्य रूप से मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) प्रक्रिया के माध्यम से रिसीवर पर सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) को अधिकतम करने के इर्द-गिर्द घूमती है, जिसे LSTM-ANN इक्वलाइज़र द्वारा अनुकूल रूप से प्रबंधित किया जाता है।

  1. अनुकूलन उद्देश्य: मौलिक लक्ष्य समीकरण (2) द्वारा परिभाषित संयुक्त SNR, $\text{SNR}_{\text{C}}$ को अधिकतम करना है। यह एक "SNR अनुकूलन समस्या" है जहां सिस्टम सर्वोत्तम संभव सिग्नल गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए दो प्राप्त संकेतों को संयोजित करने का आदर्श तरीका खोजना चाहता है। वैचारिक रूप से, यह एक "हानि परिदृश्य" को परिभाषित करता है जहां निम्न "हानि" उच्च $\text{SNR}_{\text{C}}$ के अनुरूप होती है।
  2. इष्टतम भारण: एमआरसी का सैद्धांतिक आधार यह निर्धारित करता है कि आउटपुट SNR को अधिकतम करने के लिए, प्रत्येक प्राप्त संकेत को उसके संकेत आयाम के समानुपाती और उसके शोर शक्ति के व्युत्क्रम के समानुपाती भारित किया जाना चाहिए। पत्र इष्टतम भार गुणांक $w$ के लिए विश्लेषणात्मक समाधान प्रदान करता है:
    $$ w = \frac{\text{E}[n_1^2]}{\text{E}[n_2^2]} = \frac{\text{SNR}_1^{-1} - \text{SNR}_0^{-1}}{\text{SNR}_2^{-1} - \text{SNR}_0^{-1}} $$
    यह समीकरण दिखाता है कि चैनल 2 के संकेत पर चैनल 1 के संकेत के सापेक्ष लागू भार उनके संबंधित शोर शक्तियों (या $\text{SNR}_0$ के सापेक्ष उनके SNRs) के व्युत्क्रम द्वारा निर्धारित होता है। यदि चैनल 2 कम शोरगुल वाला है (उच्च $\text{SNR}_2$), तो इसे आनुपातिक रूप से उच्च भार प्राप्त होगा, जो अंतिम संयुक्त संकेत में अधिक योगदान देगा।
  3. LSTM-ANN के माध्यम से सीखना और अनुकूलन: जबकि स्थिर परिस्थितियों के लिए इष्टतम $w$ को विश्लेषणात्मक रूप से प्राप्त किया जा सकता है, वास्तविक दुनिया के वायरलेस चैनल गतिशील होते हैं। यहीं पर "LSTM-ANN-आधारित एमआरसी प्रसंस्करण" इक्वलाइज़र खेल में आता है, जो सीखने और अनुकूलन तत्व का परिचय देता है।
    • डेटा-संचालित अनुकूलन: LSTM-ANN इक्वलाइज़र आने वाले डेटा स्ट्रीम से सीधे इष्टतम इक्वलाइज़ेशन और कंबाइनिंग पैरामीटर सीखने के लिए "डेटा-संचालित दृष्टिकोण" का उपयोग करता है। यह इसे बदलते चैनल की स्थितियों के अनुकूल होने की अनुमति देता है, जैसे वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ प्रभाव, और आंशिक गलत संरेखण, जो व्यक्तिगत चैनल SNRs ($\text{SNR}_1, \text{SNR}_2$) को समय के साथ उतार-चढ़ाव कर सकते हैं।
    • पुनरावृत्ति स्थिति अद्यतन: LSTM-ANN, एक प्रकार का आवर्तक तंत्रिका नेटवर्क होने के नाते, डेटा को क्रमिक रूप से संसाधित करता है, पिछली अवलोकनों की एक आंतरिक "स्मृति" बनाए रखता है। संचालन के दौरान, यह आने वाले संकेतों के आधार पर लगातार अपनी आंतरिक स्थिति और मापदंडों (भार और पूर्वाग्रह) को अद्यतन करता है। यह पुनरावृत्ति अद्यतन प्रक्रिया आम तौर पर एक प्रदर्शन मीट्रिक को कम करके संचालित होती है, जैसे कि पुनर्प्राप्त प्रतीकों की बिट त्रुटि दर (BER) या आउटपुट SNR को अधिकतम करना। यद्यपि विशिष्ट ग्रेडिएंट-आधारित अनुकूलन एल्गोरिथम (जैसे, समय के माध्यम से बैकप्रॉपैगेशन) पत्र में विस्तृत नहीं है, यह वह अंतर्निहित तंत्र है जिससे तंत्रिका नेटवर्क सीखते हैं।
    • गतिशील हानि परिदृश्य: वायरलेस चैनल की विशेषताएं (लुप्त होना, शोर) इष्टतम संकेत पुनर्प्राप्ति के लिए "हानि परिदृश्य" को लगातार आकार देती हैं। डेटा से सीखने और अपनी "समय स्मृति" की LSTM-ANN की क्षमता इसे इस बदलते परिदृश्य को गतिशील रूप से नेविगेट करने, इष्टतम प्रदर्शन बनाए रखने के लिए अपने प्रभावी भारण और इक्वलाइज़ेशन को लगातार समायोजित करने की अनुमति देती है। LSTM-ANN कंबाइनर द्वारा "दो इनपुट पथों का प्रदर्शन-संचालित भारण" सुनिश्चित करता है कि सिस्टम स्वायत्त रूप से अपने गुणांकों को अनुकूलित करता है, जिससे समग्र ट्रांसमिशन प्रदर्शन और मजबूती में काफी सुधार होता है, यहां तक कि चुनौतीपूर्ण बाहरी वातावरण में भी। यह अनुकूली सीखना सिस्टम की समय के साथ एक इष्टतम स्थिति में अभिसरण करने की क्षमता की कुंजी है, जो विभिन्न चैनल स्थितियों के बावजूद है।
Figure 3. Performance characterization of continuous-wave TWTA. a Experimental setup for the test bed. Using heterodyne photomixing, two lightwaves from two tunable lasers generate THz waves in the range of 329–340 GHz through the UTC-PD. An optical power meter is used to measure the UTC-PD input optical power, while both of the THz powers after UTC-PD and TWTA are measured using a THz power meter with a WR- 2.8 waveguide interface. b S-parameters of the ultrathin diamond RF window measured using a vector network analyzer, where the black curve represents S11 (reflection characteristics) and the red curve shows S21 (transmission characteristics). c TWTA output power versus the operation THz carrier frequency. The red, green, and blue lines represent different UTC-PD input optical powers (12, 13, and 14.5 dBm, respectively). d TWTA gain versus the THz carrier frequency under different UTC-PD input optical powers. e TWTA output power versus the operation photocurrent of UTC-PD under three different THz carrier frequencies. f Output powers of UTC-PD and TWTA versus the UTC-PD input optical power. EDFA erbium-doped fiber amplifier, OS optical splitter, UTC-PD uni-traveling carrier photodiode, ISO Isolator, ANT antenna Figure 4. Demonstration of the TWTA-based THz wireless communication system with diversity reception scheme. a Schematic of the 335 GHz long-range photonic–electronic converged THz wireless transmission system. The system includes an indoor photonics-assisted THz transmitter and a pair of diversity receivers, as well as an outdoor 2.2 km THz wireless link. b Photograph of the high-power photonics-assisted THz transmitter driven by a continuous-wave TWTA. c Wireless channel environment of a 2.2 km point-to-point link with several crossing urban rivers. d Photograph of the receiver side with a diversity reception scheme. e Details of the diversity receivers with two electronics-based THz mixing receivers spaced 5 cm. AWG arbitrary waveform generator, EAs electrical amplifiers, IQ Mod, in-phase (I) and quadrature (Q) modulator, DC bias direct current bias, Bias Contr. bias controller, EDFA erbium-doped fiber amplifier, PC polarization controller, UTC-PD uni-traveling carrier photodiode, ISO isolator, CLHA cylindrical lens horn antenna, HA horn antenna, LNA low-noise amplifier, IHM integrated harmonic mixer, RF radio frequency, DSO digital storage oscilloscope

परिणाम, सीमाएँ और निष्कर्ष

प्रयोगात्मक डिजाइन और आधार रेखाएँ

लेखकों ने अपने हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक THz संचार प्रणाली के प्रदर्शन को कठोरता से मान्य करने के लिए अपने प्रयोगों को सावधानीपूर्वक डिजाइन किया। उनके प्रयोगात्मक सेटअप का मूल, जैसा कि चित्र 4a में दर्शाया गया है, में एक इनडोर फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त THz ट्रांसमीटर, इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित THz विविधता रिसीवर की एक जोड़ी, और एक चुनौतीपूर्ण बाहरी 2.2 किमी THz वायरलेस लिंक शामिल था। यह लिंक बैंगनी पर्वत प्रयोगशालाओं (Tx) और दक्षिण पूर्व विश्वविद्यालय (Rx) के बीच नानजिंग, चीन में स्थापित किया गया था, विशेष रूप से चार शहरी नदियों को पार करते हुए (चित्र 4c), जो महत्वपूर्ण पर्यावरणीय जटिलताओं का परिचय देता है।

ट्रांसमीटर साइड (चित्र 4b) पर, सिस्टम ने दो ट्यून करने योग्य लेजर डायोड (LD1, LD2) द्वारा उत्पन्न ऑप्टिकल वाहकों पर डेटा एन्कोड करने के लिए इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेशन का उपयोग किया। इस मॉड्यूलेटेड ऑप्टिकल सिग्नल को फिर एक यूनि-ट्रैवलिंग कैरियर फोटोडायोड (UTC-PD) का उपयोग करके 335 GHz THz तरंग में परिवर्तित किया गया। यहां नवाचार की महत्वपूर्ण बात इस कमजोर THz सिग्नल को एक स्व-विकसित निरंतर-तरंग ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) द्वारा प्रवर्धित करना था, जिसने इसकी शक्ति को माइक्रोवाट से वाट स्तर तक बढ़ाया। प्रवर्धित THz सिग्नल को तब एक एकीकृत बेलनाकार लेंस हॉर्न एंटीना (CLHA) के माध्यम से हवा में विकीर्ण किया गया था। 2.2 किमी लिंक पर सटीक बीम संरेखण को तीन-अक्ष समायोज्य सिर वाले तिपाई और एक दूरबीन का उपयोग करके प्राप्त किया गया था, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि सिग्नल दूरस्थ रिसीवर तक पहुंचा।

रिसीविंग एंड (चित्र 4d) समान रूप से परिष्कृत था। क्षीण THz शक्ति के संग्रह को अधिकतम करने के लिए एक बड़े गोलाकार पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (PTFE) THz लेंस का उपयोग किया गया था। प्राप्त संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए, दो इलेक्ट्रॉनिक्स-आधारित THz मिक्सिंग रिसीवर तैनात किए गए थे, जो 5 सेमी की दूरी पर स्थित थे (चित्र 4e)। प्रत्येक रिसीवर में एक हॉर्न एंटीना (HA), एक THz लो-नॉइज़ एम्पलीफायर (LNA), और एक एकीकृत हार्मोनिक मिक्सर (IHM) शामिल था, जो सभी एक सामान्य आरएफ स्रोत द्वारा संचालित थे। दोनों रिसीवर से डाउन-कन्वर्टेड इंटरमीडिएट फ्रीक्वेंसी (IF) सिग्नल (5 GHz वाहक आवृत्ति पर) को बाद के ऑफ़लाइन डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग (DSP) के लिए एक वास्तविक समय डिजिटल स्टोरेज ऑसिलोस्कोप (DSO) द्वारा कैप्चर किया गया था।

सिग्नल रिकवरी के लिए डीएसपी प्रवाह, विशेष रूप से विविधता रिसेप्शन के लिए, चित्र 5a में विस्तृत है। प्रारंभिक डाउन-रूपांतरण, रीसैंपलिंग, सिंक्रनाइज़ेशन, मिलान फ़िल्टरिंग, और वाहक चरण अनुमान के बाद, Rx1 और Rx2 से दो जटिल-मान वाले प्रतीक अनुक्रम एक लॉन्ग शॉर्ट-टर्म मेमोरी-आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क (LSTM-ANN) इक्वलाइज़र में फीड किए गए थे। इस डेटा-संचालित दृष्टिकोण ने अधिकतम अनुपात संयोजन (MRC) को इष्टतम रूप से संकेतों को मर्ज करने के लिए किया, जिसके बाद बिट त्रुटि दर (BER) गणना की गई।

अपने TWTA की प्रभावशीलता को निश्चित रूप से साबित करने के लिए, लेखकों ने तालिका 1 में संक्षेपित किए गए अनुसार, अत्याधुनिक सॉलिड-स्टेट THz एम्पलीफायर्स (SSPAs) और पिछले TWTA प्रोटोटाइप के खिलाफ अपने प्रयोगात्मक सेटअप के प्रदर्शन को बेंचमार्क किया। वायरलेस लिंक के लिए, "पीड़ित" एकल-रिसीवर कॉन्फ़िगरेशन ("केवल Rx1" और "केवल Rx2") थे, जिन्होंने उनके प्रस्तावित विविधता रिसेप्शन योजना ("Rx1 + Rx2 योजना") के निर्विवाद लाभों को उजागर करने के लिए आधार रेखा के रूप में काम किया। इसके अतिरिक्त, समग्र सिस्टम प्रदर्शन की तुलना मौजूदा साहित्य (तालिका 2) से अन्य लंबी दूरी के THz वायरलेस संचार प्रणालियों, दोनों इलेक्ट्रॉनिक-आधारित और फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त, से की गई थी।

साक्ष्य क्या साबित करता है

इस पत्र में प्रस्तुत साक्ष्य मुख्य रूप से उपन्यास TWTA और विविधता रिसेप्शन योजना द्वारा संचालित, लंबी दूरी के THz वायरलेस संचार में महत्वपूर्ण प्रगति को स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करते हैं।

सबसे पहले, स्व-डिज़ाइन किया गया निरंतर-तरंग TWTA एक गेम-चेंजर साबित हुआ। सिमुलेशन (चित्र 2h) ने 334 GHz पर 2 W से अधिक की आउटपुट शक्ति और 52.8 dB के लाभ की भविष्यवाणी की। प्रयोगात्मक लक्षण वर्णन (चित्र 3c, 3e) ने इन दावों की पुष्टि की, जिसमें 335.5 GHz पर 7.6 mA के फोटोकरंट के साथ 3.82 W तक की अधिकतम आउटपुट शक्ति दिखाई गई। TWTA ने लगभग 334.5 GHz पर लगभग 52 dB का शिखर लाभ (चित्र 3d) भी प्रदर्शित किया और 8 GHz बैंडविड्थ (330.5 से 338.5 GHz) में 30 dB से अधिक लाभ बनाए रखा। यह प्रदर्शन एक महत्वपूर्ण छलांग है, जैसा कि तालिका 1 में उजागर किया गया है, जहां पिछले SSPAs ने आम तौर पर 50 mW से कम और 30 dB से कम लाभ प्रदान किया, और यहां तक कि पिछले TWTAs ने तुलनीय आवृत्तियों पर 1.6 W आउटपुट शक्ति या 18 dB लाभ से अधिक होने के लिए संघर्ष किया। लेखकों की नवीन संशोधित सर्कुलर बेंड (MCB) फोल्डेड वेवगाइड (FWG) स्लो-वेव स्ट्रक्चर (SWS) इस देखे गए उच्च लाभ और आउटपुट शक्ति में सीधे अनुवादित, 335 GHz पर 1.7 Ω के कपलिंग प्रतिबाधा को प्राप्त करते हुए, उनके मूल स्टैगर्ड डबल वेन (SDV) डिजाइन (चित्र 2d) के 0.28 Ω से छह गुना सुधार हुआ।

दूसरे, LSTM-ANN-आधारित एमआरसी प्रसंस्करण के साथ विविधता रिसेप्शन योजना ने रिसीवर संवेदनशीलता और समग्र लिंक प्रदर्शन में नाटकीय रूप से सुधार किया। जैसा कि चित्र 5b में दिखाया गया है, एक एकल रिसीवर (Rx1 या Rx2) बॉड दर 5.5 GBaud से अधिक होने पर 25% SD-FEC BER थ्रेशोल्ड (4.2 $\times$ 10$^{-2}$) को पूरा करने में विफल रहा। इसके विपरीत, प्रस्तावित Rx1 + Rx2 विविधता योजना ने सफलतापूर्वक बॉड दर को 8.7 GBaud तक धकेल दिया, जिसके परिणामस्वरूप ट्रांसमिशन दर में 58% का सुधार हुआ, जो 22 Gbit s$^{-1}$ से 34.8 Gbit s$^{-1}$ तक था। यह सुधार सीधे विविधता लाभ का श्रेय है। चित्र 5c में नक्षत्र आरेख इसे नेत्रहीन रूप से दर्शाते हैं, जो एकल रिसीवर की तुलना में विविधता योजना के लिए स्पष्ट और अधिक केंद्रित क्लस्टर दिखाते हैं। मात्रात्मक रूप से, पुनर्प्राप्त प्रतीकों के औसत SNR में 12.95 dB (एकल Rx) से 15.5 dB (विविधता Rx) तक सुधार हुआ, जिससे 2.55 dB का लाभ हुआ (चित्र 5e), जो इस तरह की योजना के लिए सैद्धांतिक 3 dB लाभ के आश्चर्यजनक रूप से करीब है। इसके अलावा, चित्र 5d प्रदर्शित करता है कि विविधता रिसेप्शन योजना ने BER थ्रेशोल्ड को पूरा करने के लिए आवश्यक UTC-PD इनपुट ऑप्टिकल पावर को काफी कम कर दिया और सर्वश्रेष्ठ BER को 7.71 $\times$ 10$^{-2}$ से 3.38 $\times$ 10$^{-2}$ तक कम कर दिया।

सामूहिक रूप से, इन नवाचारों ने अभूतपूर्व लंबी दूरी के THz वायरलेस लिंक को सक्षम किया। सिस्टम ने 335 GHz पर 2.2 किमी वायरलेस लिंक पर 27.84 Gbit s$^{-1}$ की शुद्ध डेटा दर प्राप्त की। यह 300 GHz से परे 61,248 Gbit s$^{-1}\cdot$m के रिकॉर्ड-तोड़ दर-दूरी उत्पाद में तब्दील हो जाता है, जैसा कि तालिका 2 में उजागर किया गया है। यह उत्पाद पिछले फोटोनिक्स-सहायता प्राप्त योजनाओं से काफी बेहतर है, जो 850 मीटर की दूरी और कम दर-दूरी उत्पादों तक सीमित थे, और इस आवृत्ति बैंड में इलेक्ट्रॉनिक-आधारित योजनाओं से भी बेहतर प्रदर्शन करते हैं। 2.2 किमी लिंक पर 5G नई रेडियो और उच्च-परिभाषा वीडियो के वास्तविक समय संचरण, जैसा कि पूरक जानकारी में उल्लेख किया गया है, एक वास्तविक दुनिया के वातावरण में सिस्टम की मजबूती को और रेखांकित करता है।

सीमाएँ और भविष्य की दिशाएँ

हालांकि यह पत्र किलोमीटर-स्केल THz वायरलेस संचार में वास्तव में अभूतपूर्व उपलब्धि प्रस्तुत करता है, यह ईमानदारी से कई सीमाओं को स्वीकार करता है जो भविष्य के अनुसंधान और विकास के लिए मार्ग प्रशस्त करती हैं।

एक प्राथमिक सीमा निरंतर-तरंग TWTA से ही उत्पन्न होती है: इसकी सीमित परिचालन बैंडविड्थ और उस बैंडविड्थ पर असमान लाभ। ये कारक वर्तमान में लंबी दूरी के THz लिंक में अधिकतम प्राप्त करने योग्य ट्रांसमिशन दर को प्रतिबंधित करते हैं। यद्यपि TWTA रिकॉर्ड-तोड़ शक्ति और लाभ प्राप्त करता है, व्यापक आवृत्ति रेंज पर सुसंगत प्रदर्शन बनाए रखना एक स्थायी तकनीकी चुनौती है। इसके अतिरिक्त, उच्च UTC-PD इनपुट ऑप्टिकल पावर (चित्र 3f) पर केवल एक मामूली शक्ति संतृप्ति देखी गई थी, यह बताता है कि TWTA की क्षमता आउटपुट शक्ति का पूरी तरह से लाभ उठाने के लिए UTC-PD की रूपांतरण दक्षता में और सुधार किया जा सकता है।

आगे देखते हुए, भविष्य के विकास और विकास के लिए कई आशाजनक रास्ते उभरते हैं:

  • TWTA प्रदर्शन वृद्धि:

    • बैंडविड्थ और लाभ समतलता: भविष्य के काम को एक सपाट लाभ प्रोफ़ाइल और व्यापक परिचालन बैंडविड्थ प्राप्त करने के लिए TWTA के डिजाइन को प्राथमिकता देनी चाहिए। इसमें उपन्यास स्लो-वेव स्ट्रक्चर, उन्नत इलेक्ट्रॉन बीम आकार देने की तकनीक, या आवृत्ति-निर्भर हानियों की भरपाई करने वाले मल्टी-स्टेज प्रवर्धन आर्किटेक्चर की खोज शामिल हो सकती है। लक्ष्य 100 Gbit s$^{-1}$ या उससे अधिक की ट्रांसमिशन दरों को सक्षम करना है, जैसा कि लेखकों द्वारा सुझाया गया है।
    • शक्ति दक्षता: वर्तमान 3% से परे TWTA की समग्र शक्ति दक्षता में सुधार व्यावहारिक, ऊर्जा-कुशल तैनाती के लिए महत्वपूर्ण है। ऊर्जा वसूली के लिए अधिक परिष्कृत अवसादित कलेक्टरों, या वैकल्पिक इलेक्ट्रॉन बीम उत्पादन और इंटरैक्शन तंत्र में अनुसंधान, महत्वपूर्ण लाभ प्रदान कर सकता है।
    • लघुकरण और एकीकरण: यद्यपि वर्तमान TWTA शक्तिशाली है, उन्नत विनिर्माण तकनीकों और फोटोनिक घटकों के साथ तंग एकीकरण के माध्यम से इसके आकार और जटिलता को कम किया जा सकता है। यह अधिक कॉम्पैक्ट और तैनात करने योग्य THz ट्रांससीवर की सुविधा प्रदान करेगा।

  • उन्नत विविधता और एमआईएमओ सिस्टम:

    • परिष्कृत डीएसपी एल्गोरिदम: इक्वलाइज़ेशन और संयोजन के लिए अधिक उन्नत मशीन लर्निंग या कृत्रिम बुद्धिमत्ता एल्गोरिदम की खोज, विशेष रूप से गतिशील और जटिल वायुमंडलीय चैनलों में, प्रदर्शन को और बढ़ा सकती है। ये एल्गोरिदम वायुमंडलीय अशांति, मल्टीपाथ लुप्त होने और आंशिक गलत संरेखण जैसी खामियों को अधिक प्रभावी ढंग से अनुकूल रूप से कम कर सकते हैं।
    • पूर्ण एमआईएमओ कार्यान्वयन: दो रिसीवर विविधता योजना से कई ट्रांसमिट और रिसीव एंटीना के साथ पूर्ण मल्टीपल-इनपुट मल्टीपल-आउटपुट (MIMO) सिस्टम तक विस्तार, विशेष रूप से स्थानिक मल्टीप्लेक्सिंग या उन्नत बीमफॉर्मिंग की आवश्यकता वाले परिदृश्यों में, और भी उच्च डेटा दर और अधिक लिंक मजबूती को अनलॉक कर सकता है।

  • सिस्टम मजबूती और अनुकूलनशीलता:

    • गतिशील चैनल अनुकूलन: वास्तविक समय चैनल की स्थितियों (जैसे, विभिन्न आर्द्रता, बारिश, कोहरा) के आधार पर मॉड्यूलेशन प्रारूपों, कोडिंग योजनाओं और शक्ति स्तरों को गतिशील रूप से समायोजित करने वाली प्रणालियों का विकास, विभिन्न वातावरणों में विश्वसनीयता और उपलब्धता में काफी सुधार करेगा। इसके लिए मजबूत संवेदन और प्रतिक्रिया तंत्र की आवश्यकता होगी।
    • हस्तक्षेप प्रबंधन: जैसे-जैसे THz संचार प्रणाली अधिक प्रचलित होती जाती है, अन्य THz स्रोतों या सह-अस्तित्व वाले वायरलेस सिस्टम से संभावित हस्तक्षेप को संबोधित करना महत्वपूर्ण होगा। उन्नत हस्तक्षेप रद्दीकरण और स्पेक्ट्रम साझाकरण तकनीकों में अनुसंधान आवश्यक होगा।

  • अन्य THz खिड़कियों का अन्वेषण:

    • जबकि 335 GHz एक चुनौतीपूर्ण वायुमंडलीय विंडो है, इस हाइब्रिड फोटोनिक-इलेक्ट्रॉनिक सिनर्जी को अन्य THz आवृत्ति बैंडों (जैसे, 140 GHz, 220 GHz, या 400-500 GHz जैसी उच्च आवृत्तियों) पर लागू करने की जांच नए अवसर खोल सकती है। प्रत्येक विंडो पथ हानि और उपलब्ध बैंडविड्थ के बीच एक अद्वितीय व्यापार-बंद प्रस्तुत करती है, और प्रौद्योगिकी को विशिष्ट विंडो के अनुरूप बनाने से विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए प्रदर्शन को अनुकूलित किया जा सकता है।

  • लागत और व्यावसायीकरण:

    • व्यापक अपनाने के लिए, इन उच्च-प्रदर्शन THz घटकों के निर्माण की लागत-प्रभावशीलता को संबोधित करने की आवश्यकता है। स्केलेबल, कम लागत वाली निर्माण विधियों और असेंबली प्रक्रियाओं में अनुसंधान व्यावसायिक व्यवहार्यता के लिए महत्वपूर्ण होगा।

यह कार्य व्यावहारिक, किलोमीटर-स्केल THz संचार की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है। प्रस्तावित चर्चा विषय इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि जबकि THz प्रसार और शक्ति पीढ़ी की मौलिक चुनौतियों को दूर किया जा रहा है, सर्वव्यापी, उच्च-क्षमता वाले THz नेटवर्क की यात्रा कई वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग विषयों में निरंतर नवाचार की आवश्यकता वाला एक चल रहा, रोमांचक प्रयास है।

Figure 5. Experimental results of diversity reception processing over a 2.2 km THz wireless link at 335 GHz. All the results below adopt the 16QAM modulation format. a DSP flow for signal MRC processing. For the single Rx1 or Rx2 receiving case, one typical third-order Volterra nonlinear equalizer is used instead of merging Rx1 and Rx2 via LSTM–ANN-based MRC processing. b BER versus the different symbol rate with a UTC-PD input optical power of 12 dBm. c Electrical spectrum of the downconverted IF signal (up figure) and constellation diagrams after signal recovery (down figure) under a fixed symbol rate of 5 GBaud. d BER versus the UTC-PD input optical power with a 32 Gbit s−1 transmission rate. e SNR (left vertical axis) and average gain (right vertical axis) versus the UTC-PD input optical power with a 32 Gbit s−1 transmission rate. The theoretical gain for the single-emission and double-reception diversity scheme corresponds to 3 dB (see details in the Methods section), whereas the average gain in our experiment is calculated by subtracting the average SNR of RX1 and RX2 from the SNR obtained after merging Rx1 and Rx2. In this case, the calculated peak gain of SNR reaches up to 2.9 dB

अन्य क्षेत्रों से संबंध

गणितीय कंकाल

इस कार्य का शुद्ध गणितीय मूल उच्च-आवृत्ति संकेत प्रवर्धन के लिए आवधिक संरचनाओं के भीतर इलेक्ट्रॉन बीम-तरंग इंटरैक्शन के विश्लेषण और सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात को अधिकतम करने के लिए एक विविधता रिसेप्शन प्रणाली में कई शोरगुल वाले संकेतों के इष्टतम संयोजन में निहित है।

आसन्न अनुसंधान क्षेत्र

त्वरक भौतिकी और मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर

आवधिक धीमी-तरंग संरचनाओं में आवेशित कण बीम और विद्युत चुम्बकीय तरंगों के बीच अनुनाद इंटरैक्शन के भौतिकी के सिद्धांत, जो ट्रैवलिंग वेव ट्यूब एम्पलीफायर (TWTA) डिजाइन के लिए केंद्रीय हैं, त्वरक भौतिकी और मुक्त-इलेक्ट्रॉन लेजर (FELs) में खोजे गए सिद्धांतों के समान हैं। लाभ पैरामीटर सूत्र $G = (\frac{K I_0}{4V_0})^{1/3}$ सीधे इलेक्ट्रॉन बीम और विद्युत चुम्बकीय तरंग के बीच ऊर्जा हस्तांतरण की दक्षता को मापता है। आवधिक या अर्ध-आवधिक संरचनाओं में आवेशित कण बीम और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के बीच अनुनाद इंटरैक्शन की यही अंतर्निहित भौतिकी, कण त्वरण में रैखिक त्वरक और सहसंबद्ध विकिरण उत्पादन में FELs के लिए महत्वपूर्ण है, जहां लक्ष्य या तो बीम को ऊर्जा प्रदान करना है या प्रकाश के रूप में ऊर्जा निकालना है, जिसमें समान ऊर्जा विनिमय प्रक्रियाएं होती हैं।

वायरलेस संचार (विविधता संयोजन)

इस पत्र में नियोजित विविधता रिसेप्शन योजना सीधे वायरलेस संचार से मैक्सिमम रेशियो कंबाइनिंग (MRC) की अच्छी तरह से स्थापित तकनीक पर लागू होती है। सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) को बढ़ाने के लिए दो प्राप्त शाखाओं से संकेतों को संयोजित करने के लिए समीकरण (2) में $\text{SNR}_C$ और समीकरण (3) में इसके सैद्धांतिक लाभ सीमा के लिए गणितीय ढांचा, मल्टीपाथ वातावरण में लुप्त होने को कम करने और लिंक गुणवत्ता में सुधार करने की एक पारंपरिक विधि है। यह तकनीक मल्टी-पाथ वातावरण में लुप्त होने को कम करने और लिंक गुणवत्ता में सुधार करने के लिए एक पारंपरिक विधि है। (लो, 1999, IEEE ट्रांस। कम्युन)।

सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए डीप लर्निंग

विविधता रिसेप्शन प्रसंस्करण में सिग्नल रिकवरी के लिए LSTM-ANN-आधारित इक्वलाइज़र का एकीकरण, सिग्नल प्रोसेसिंग पर लागू डीप लर्निंग के क्षेत्र से एक मजबूत संबंध को उजागर करता है। यह डेटा-संचालित दृष्टिकोण लॉन्ग शॉर्ट-टर्म मेमोरी (LSTM) नेटवर्क और आर्टिफिशियल न्यूरल नेटवर्क (ANNs) की क्षमताओं का लाभ उठाता है ताकि जटिल चैनल की खामियों और गैर-रैखिक विकृतियों को अनुकूल रूप से सीख और क्षतिपूर्ति कर सके। ऐसे तंत्रिका नेटवर्क आर्किटेक्चर को उच्च-गति संचार प्रणालियों में उन्नत इक्वलाइज़ेशन, हस्तक्षेप रद्दीकरण और चैनल अनुमान कार्यों के लिए तेजी से उपयोग किया जाता है, जहां पारंपरिक मॉडल-आधारित विधियां वास्तविक दुनिया के चैनलों की जटिलता के साथ संघर्ष कर सकती हैं। (लियू एट अल।, 2023, ऑप्टिक्स एक्सप्रेस)।