Сверхбыстрые беспроводные сети: новая эра радиосигналов

Следующее поколение беспроводной связи будет работать на еще более высоких частотах, чем современные системы 5G, что позволит передавать гораздо больше данных с большей скоростью. Эти высокочастотные диапазоны, которые лягут в основу будущих сетей 6G, смогут поддерживать требовательные к данным технологии, такие как беспроводные VR-гарнитуры и системы сенсорного мониторинга в реальном времени.

Однако эти повышенные частоты имеют и обратную сторону: сигнал быстрее затухает в воздухе и не может проходить через физические препятствия. Это означает, что передатчикам и приемникам придется напрямую выстраивать узкие, прямые каналы связи, а не использовать рассеянные соединения, характерные для современного Wi-Fi.

Исследователи из Университета Райса и их коллеги разработали новый метод, позволяющий сделать эти соединения практически мгновенными. Команда нашла способ генерировать и контролировать радиоволновые паттерны, которые могут определять направление сигнала с точностью до одной десятой градуса — примерно в десять раз лучше, чем существующие подходы. Это позволяет создавать каналы с высокой скоростью передачи данных почти сразу после отправки сигнала.

«Метод, представленный в нашей статье, обеспечивает чрезвычайно быструю оценку угла с беспрецедентной точностью», — пояснил Бурак Билгин, аспирант Райса и первый автор исследования, опубликованного в Communications Engineering. «Это, в свою очередь, позволяет быстро устанавливать или восстанавливать беспроводные соединения с минимальной задержкой. Наш метод позволит беспроводным устройствам мгновенно находить друг друга, что необходимо для достижения беспрецедентных скоростей передачи данных в сетях следующего поколения».

Билгин сравнил этот метод с маяком, «излучающим несколько цветов света, интенсивность каждого из которых, распространяющегося во всех направлениях, рандомизирована». В этой аналогии маяк — это беспроводной передатчик, корабли — приемники, а рассеянный свет — радиоволны.

«Корабли вокруг маяка, то есть беспроводные приемники, могут определить свое точное положение относительно маяка на основе набора цветов и соответствующих интенсивностей, которые они наблюдают. Благодаря рандомизации этот набор уникален для каждого направления», — сказал Билгин.

Для демонстрации идеи исследователи использовали тонкую электронную поверхность, известную как метаповерхность, изготовленную партнерами из национальных лабораторий Лос-Аламоса и Сандии. Когда широкополосный сигнал попадает на метаповерхность, он рассеивается в уникальный узор, зависящий как от направления, так и от частоты волны. Каждое направление создает свою собственную «электромагнитную подпись», которую приемники могут сравнить с предварительно записанной библиотекой для идентификации источника сигнала. Процесс занимает всего несколько пикосекунд, или триллионных долей секунды.

Предыдущие подходы могли изменять сигнал по времени или по разным частотам, но не одновременно. Команда под руководством Райса нашла способ использовать метаповерхность для генерации паттернов, которые изменяются как по частоте, так и во времени.

«Возвращаясь к аналогии с маяком, наша работа — первая, которая обеспечивает как многоцветную, так и изменяющуюся во времени передачу», — отметил Билгин. «Поскольку случайное распределение цветов перерандомизируется в разных временных окнах, корабли могут сделать более точную оценку при расширенных наблюдениях, если погода туманная (шумный беспроводной сигнал) или маяк не способен излучать множество различных цветов (ограничения полосы пропускания)».

По мере того как беспроводные сети переходят в терагерцовый диапазон, такая точность становится критически важной. Эксперименты потребовали больших объемов данных для статистического анализа поведения рандомизированных сигналов. Партнеры из Брауновского университета внесли вклад в теоретическое и физическое моделирование электромагнитного поведения.

«Это исследование запрограммированной случайности», — сказал Билгин. «Мы собрали много данных, чтобы изучить среднее поведение. Это требовало планирования и грамотного составления расписаний, а исследование не обошлось без неожиданных неудач, например, когда во время эксперимента отключилось электричество. Но было приятно видеть, как результаты соответствуют нашим ожиданиям».

Эдвард Найтли, профессор электротехники и компьютерных наук Райса, отметил, что эта работа дает раннее представление о том, как будут развиваться беспроводные системы по мере роста требований к данным. «Физика самого сигнала определяет возможности сетей», — сказал Найтли. «Это исследование превращает вызов в возможность, показывая, что случайность, при правильном проектировании, может сделать беспроводные сети быстрее, умнее и надежнее».