Come può il beamforming ibrido aprire la strada alle comunicazioni sub‑THz?

Immagina di dover parlare con un amico a chilometri di distanza usando solo la luce. È l’idea alla base delle comunicazioni sub‑THz, dove le frequenze sono così alte da comportarsi quasi come fasci di luce. Per trasmettere dati a velocità pazzesche, però, serve un “cervello” capace di dirigere questi fasci con precisione.

Il nuovo studio di arXiv propone un’architettura ibrida: l’antenna è divisa in “tessere” (tile), ognuna una piccola array di antenne che forma un fascio analogico. Dopo il fascio, i segnali passano a un processore digitale (DSP) che li combina e li pulisce. Questo approccio riduce la complessità hardware rispetto a un array totalmente digitale, dove ogni antenna avrebbe bisogno del proprio circuito.

Scalare sia la dimensione dell’array sia la larghezza di banda porta a due sfide. Prima, il “beam squint”: a frequenze diverse il fascio si sposta, come se una torcia cambiassero direzione cambiando colore. Seconda, il consumo energetico, che cresce con il numero di antenne.

Gli autori confrontano diverse strategie per mitigare lo squint, come allargare il fascio o condividere le tessere tra più utenti. Usano modelli teorici e simulazioni OFDM per stimare l’efficienza spettrale, confrontando un ricevitore lineare per sotto‑portante con un ipotetico ricevitore ideale.

Il risultato? Con la giusta combinazione di dimensione delle tessere e algoritmi DSP, è possibile mantenere alte velocità di trasmissione senza impazzire con i consumi, aprendo la porta a connessioni fisse ultra‑veloci per case e industrie.

Il lavoro si colloca nel contesto delle comunicazioni a frequenze sub‑THz (300 GHz‑1 THz), dove la larghezza di banda disponibile supera di ordine di grandezza quella delle bande 5G tradizionali. In tale regime, la densità di elementi dell’array cresce rapidamente, rendendo impraticabile l’approccio fully‑digital: ogni elemento richiederebbe un convertitore A/D ad alta velocità, amplificatori di potenza e linee di alimentazione, con un consumo energetico che supera i 10 W per cm² di superficie antennale.

L’architettura ibrida proposta suddivide l’array in N_tile tessere, ciascuna con M antenna elementari. Ogni tessera implementa un beamforming analogico mediante reti di fase o di attenuazione, generando un pattern di radiazione diretto verso una porzione di spazio. Il segnale combinato di ciascuna tessera è poi campionato a banda base e processato digitalmente. Questo approccio consente di ridurre il numero di catene RF‑DSP da N_total = N_tile·M a N_tile, con un risparmio lineare sul consumo.

Il fenomeno di beam squint è modellato come una variazione della risposta di fase θ(f) = θ_0 + 2π·d·sin(φ)·(f‑f_c)/c, dove d è la spaziatura inter‑antenna, φ l’angolo di puntamento e f_c la frequenza centrale. Per larghezze di banda superiori al 10 % di f_c, la deviazione di puntamento può superare diversi gradi, degradando l’interferenza inter‑utente. Le strategie di mitigazione includono: (i) beam broadening mediante weighting di amplitude non uniforme (tapering), (ii) utilizzo di più sotto‑array con puntamenti leggermente offset (multi‑beam tiling), e (iii) adattamento dinamico dei coefficienti di fase per ogni sub‑carrier (per‑subcarrier RF beamforming), sebbene quest’ultima richieda hardware più complesso.

Dal punto di vista dell’elaborazione digitale, il ricevitore considera un modello MIMO‑OFDM con H_k ∈ ℂ^{U×N_tile} per il k‑esimo sub‑carrier, dove U è il numero di utenti. La capacità teorica è data da C = (1/K)∑_{k=1}^{K} log₂ det(I_U + (ρ/σ²) H_k W_k W_k^H H_k^H), con ρ potenza di trasmissione, σ² rumore, e W_k matrice di pesi digitale. Il paper confronta questa capacità con quella di un ricevitore lineare per sub‑carrier (ZF o MMSE) e con un benchmark ideale (ML) per valutare il gap introdotto dalla limitazione hardware.

I risultati mostrano che, per tile di dimensioni 8×8 o 16×16, è possibile mantenere un’efficienza spettrale entro il 70‑80 % del limite ideale, a patto di adottare beam broadening e condivisione delle tessere tra utenti con angoli di arrivo simili. L’analisi di consumo energetico indica che la potenza totale può rimanere sotto i 5 W per 1 m² di superficie antennale, rendendo l’approccio praticabile per scenari di accesso fisso a banda ultra‑alta.