Abstract This thesis focuses on THz band channel modeling and characterization. This vast frequency band spans from 100 GHz to 10 THz. The approximately 10,000 GHz bandwidth together with advances in THz capable electronics have made this band highly potential for many future applications, e.g., imaging and nanodevice-to-nanodevice communications. The latter is the reference application of this thesis and it focuses on the communication among very small and simple devices. The main focus of the thesis is on the THz channel characterization. Therefore, the channel models presented herein are also suitable for communications at macroscopic scale. The THz band offers opportunities, but has many problems as well. One of these is molecular absorption, which causes frequency selective fading to signals. The fading is caused by the signals’ energy absorption in the resonance frequencies of the molecules in the communication medium. Based on the conservation of energy, the absorption is understood to cause a new type of noise in the THz links: transmission induced noise. This noise component is analyzed from multiple physical viewpoints. The THz signals have short enough wavelengths to theoretically allow scattering on aerosols in the atmosphere. Scattering causes frequency dependent loss of the signals, but also a signal spread in time over multiple scattering events. It is shown here that in some specific atmospheric conditions the scattering causes signal loss and time spread. In addition to the theoretical channel models, measurements on a variety of propagation phenomena are con- ducted and analyzed. These include penetration losses, rough surface reflections and scattering, and diffraction. Through the measurements, it can be shown that the THz band communications is feasible in non-line-of-sight (NLOS) conditions in spite of the above phenomena. In the last part of this thesis, stochastic geometry is applied to the THz band in order to estimate the mean interference power and outage probabilities in dense networks formed from nanodevices. Because of the large losses in the channel, large interference levels require large numbers of devices. Stochastic geometry offers perfect tools to estimate the mean interference, and also in the case of directional antennas, which are most likely implemented in all the THz band devices due to large power losses in the channel. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja paneutuu THz-taajuisien kanavien mallintamiseen. Tämä valtavan laaja kaista ulottuu sadasta gigahertsistä aina kymmeneen terahertsiin asti. Noin 10000 GHz:n kaistanleveys, yhdistettynä THz-taajuudet mahdollistavien elektroniikan komponenttien kehitykseen, tekee tästä kaistasta erittäin houkuttelevan vaihtoehdon moniin tulevaisuuden sovelluksiin. Näitä ovat mm. kuvantaminen ja nanolaitteiden välinen tietoliikenne. Viimeisin on tämän väitöskirjan viitekehys ja keskittyy hyvin pienien ja yksinkertaisien laitteiden väliseen viestintään. Työn keskittyy pääosin THz-kanavamallinnukseen, joten esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää myös nanoskaalaa suuremmissa verkoissa. THz-taajuudet avaavat mahdollisuuksia, mutta tuovat myös ongelmia. Yksi näistä on molekulaariabsorptio, joka aiheuttaa taajuusselektiivistä häipymää signaaleihin. Tämä ilmiö johtuu sähkömagneetisen energian absorbotumisesta ilman molekyylien resonanssitaajuuksilla. Sen on myös arveltu johtavan uudenlaisen kohinan syntyyn, lähetysten indusoimaan kohinaan, perustuen energian säilymislakiin. Lähetysten indusoimaa kohinaa tutkitaan tässä työssä erilaisista fysikaalisista näkökulmista. THz-taajuisen säteilyn aallonpituus on riittävän lyhyt mahdollistamaan sironta ilmassa olevista aerosoleista. Sironta aerosoleista johtaa taajusriippuvaan signaalitehon häviöön, mutta myös signaalitehon leviämiseen ajassa monisironnan kautta. Työssä todennetaan, että sopivissa olosuhteissa sironta lisää häviöitä ja viivehajetta kanavassa. Teoreettisten kanavamallien lisäksi analysoidaan mittauksin alemmilta taajuusalueilta tuttuja etenemisilmiöitä, kuten signaalin läpäisyä, heijastuksia ja sirontaa pinnoilta, sekä diffraktioita. Mittausten kautta voidaan näyttää, että THz-taajuinen tiedonsiirtolinkki voidaan luoda myös ilman näköyhteyttä yllä mainittujen ilmiöiden kautta. Työn viimeisessä osassa sovelletaan stokastista geometriaa THz-taajuuksille keskimääräisen häiriötehon ja toimintakyvyttömyystodennäköisyyden selvittämiseksi tiheissä nanolaitteiden muodostamissa verkoissa. Isojen kanavahäviöiden takia suuri häiriötaso vaatii suuren määrän laitteita. Stokastinen geometria antaa täydelliset työkalut häiriötason estimointiin. Tätä voidaan myös hyödyntää suuntaavien antennien tapauksessa, joita tullaan suurella todennäköisyydellä käyttämään kaikissa THz-laitteissa johtuen suurista signaalihäviöistä kanavassa.

Abstract This thesis concentrates on evaluating and improving the throughput performances of mobile users in high speed vehicles. In particular, high speed train (HST) scenarios are considered. Emphasis is placed on practical designs and methods that take into account distinctive HST characteristics. A two-hop communication link, i.e., base station (BS)-to-HST and HST-to-onboard users (OBUs) is adopted. The main target is to improve the throughput performance on the BS-to-HST communication link, which is assumed to be the main bottleneck in the whole communication link, since the HST-to-OBU communication link is assumed to have good channel quality due to the short link distance with relatively stationary OBUs. The algorithms developed are assessed through link and system level simulations. A theoretical and practical study of the throughput maximization problem in a single and multi-cell multiple-input multiple-output orthogonal frequency-division multiplexing (MIMO-OFDM) train scenario are considered with and without cooperation between train carriages. Two low-complexity transmission schemes based on simple antenna selection (AS) methods with spatial multiplexing (SM) are proposed. The simulation results demonstrate that large antenna arrays with AS and SM transmission strategies have the potential to significantly improve the throughput of the BS-to-train link in HST scenarios. Resource sharing methodologies between the moving relay nodes (MRNs) on the HST and ground macro users (GMUs) were also studied in a multi-cell MIMO-OFDM train scenario. Direct application of existing resource scheduling methods will not be appropriate to efficiently and fairly share resources, since the MRNs and the GMUs have different processing capabilities. Hence, two hybrid resource scheduling methods are analyzed in conjunction with joint and disjoint resource management. The tradeoff between the number of MRNs and receive antennas that should be installed on an HST was also examined in the context of throughput performance and capital expenditure. Results show that joint scheduling does not provide the best overall performance and there is a need to schedule each group of mobile terminals (MTs) separately. Finally, the feasibility of the use of higher frequency bands (HFBs) was examined in HST scenarios. A timer-based beam selection scheme for HST, which does not require any training time to select the appropriate beam is also proposed. The proposed beam selection scheme (PBSS) displays a close performance to the ideal singular value decomposition (SVD) scheme. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja keskittyy mobiilikäyttäjien tiedonsiirtonopeuksien arviointiin ja parantamiseen nopeasti liikkuvissa kulkuneuvoissa. Työ käsittelee erityisesti tiedonsiirtoa suurnopeusjunissa. Työssä korostetaan käytännön menetelmiä, jotka ottavat huomioon nopeasti liikkuvien junien tiedonsiirron erityispiirteet. Työssä käytetään kahden hypyn linkkimallia, jossa tiedonsiirto kulkee tukiasemalta junaan ja junasta käyttäjälle, joka on junassa. Päätavoite on parantaa datanopeuksia tukiaseman ja junan välisessä tiedonsiirtolinkissä, jonka uskotaan olevan suurin pullonkaula koko tiedonsiirtolinkissä, koska junan ja lähes paikallaan olevan käyttäjän välinen kanava voidaan olettaa hyvälaatuiseksi linkin lyhyyden vuoksi. Kehitettyjen algoritmien suorituskykyä arvioidaan linkki- ja järjestelmätason simulaatioilla. Työssä tutkitaan tiedonsiirtonopeuden maksimointiongelmaa teoreettisella ja käytännön tasolla yhden ja usean solun MIMO OFDM junaskenaarioissa, joissa junan vaunut tekevät tai eivät tee yhteistyötä. Työssä esitetään kaksi alhaisen kompleksisuuden lähetysmenetelmää, jotka hyödyntävät yksinkertaista antennin valintamenetelmää ja tilatason multipleksointia. Simulointitulokset osoittavat, että suuret antenniryhmät, jotka hyödyntävät näitä lähetysmenetelmiä, voivat parantaa merkittävästi tiedonsiirtonopeutta tukiasemalta junaan päin. Työssä tutkitaan myös resurssien jakomenetelmiä liikkuvien junassa olevien releiden ja maatason makrokäyttäjien välillä monen solun MIMO-OFDM junaskenaariossa. Nykyisten resurssinhallintamenetelmien käyttö ei ole suoraan mahdollista tehokasta ja oikeudenmukaista resurssien jakoa, koska releillä ja makrokäyttäjillä on erilaiset prosessointikyvyt. Tämän vuoksi työssä analysoidaan kahta hybridimenetelmään resurssien skeduloinnille. Tutkimukset selventävät tasapainoa releiden lukumäärän ja junaan asennettavien vastaanotinantennien välillä tiedonsiirtonopeuden ja kustannusten osalta. Tulokset osoittavat, että yhteinen resurssien jako ei saavuta parasta suorituskykyä, eikä ole tarvetta ajoittaa jokaista matkaviestinterminaaliryhmää erikseen. Lopuksi työssä tutkitaan korkeampien taajuusalueiden soveltuvuutta tiedonsiirtoon suurnopeusjunissa. Työssä ehdotetaan ajastinpohjaista keilanvalintamenetelmää, joka ei vaadi opetusjaksoa sopivan keilan valintaan. Ehdotetun menetelmän saavuttama suorituskyky on lähellä ideaalisen singulaariarvohajotelmaa hyödyntävän menetelmän suorituskykyä.