Як вигнуті терагерцові хвилі можуть зробити революцію в бездротовому зв’язку

У результаті прориву, який міг би революціонізувати бездротовий зв’язок, дослідники оприлюднили новий метод керування терагерцовими хвилями, що дозволяє їм огинатися навколо перешкод, а не блокуватися ними.

Незважаючи на те, що стільникові мережі та системи Wi-Fi вдосконалені, ніж будь-коли, вони також швидко досягають обмежень пропускної здатності. Вчені знають, що найближчим часом їм доведеться перейти на набагато вищі частоти зв’язку, ніж ті, на які покладаються поточні системи, але перш ніж це станеться, на цьому шляху стоїть ряд — буквально — перешкод.

Дослідники з Університетів Брауна та Університету Райса кажуть, що вони зробили ще один крок ближче до того, щоб обійти такі тверді перешкоди, як стіни, меблі та навіть люди — і вони роблять це за допомогою викривлення світла.

Досягнення в терагерцевому зв’язку

У новому дослідженні, опублікованому в Communications Engineering, дослідники описують, як вони допомагають вирішити одну з найбільших проблем, що виникають у бездротовому зв’язку. Сучасні системи покладаються на мікрохвильове випромінювання для передачі даних, але стало зрозуміло, що майбутній стандарт передачі даних використовуватиме терагерцові хвилі, які мають у 100 разів більшу пропускну здатність, ніж мікрохвилі. Однією з давніх проблем було те, що, на відміну від мікрохвиль, сигнали терагерцового діапазону можуть бути заблоковані більшістю твердих об’єктів, що робить пряму лінію видимості між передавачем і приймачем логістичною вимогою.

«Більшість людей, ймовірно, використовують базову станцію Wi-Fi, яка наповнює кімнату бездротовими сигналами», — сказав Даніель Міттлмен, професор Інженерної школи Брауна та старший автор дослідження. «Незалежно від того, куди вони рухаються, вони підтримують зв’язок. На вищих частотах, про які ми тут говоримо, ви більше не зможете цього робити. Натомість це буде спрямований промінь. Якщо ви рухаєтеся, цей промінь повинен буде слідувати за вами, щоб підтримувати зв’язок, і якщо ви рухаєтеся за межі променя або щось блокує цей зв’язок, ви не отримуєте жодного сигналу».

Дослідники обійшли це, створивши терагерцовий сигнал, який слідує за вигнутою траєкторією навколо перешкоди, замість того, щоб бути заблокованим нею.

«Це перший у світі вигнутий канал передачі даних, важлива віха в реалізації бачення 6G високої швидкості передачі даних і високої надійності», — сказав Едвард Найтлі, співавтор дослідження та професор електротехніки та комп’ютерної інженерії в Університеті Райса.

За словами дослідників, новий метод, представлений у дослідженні, може допомогти революціонізувати бездротовий зв’язок і підкреслити можливість створення в майбутньому бездротових мереж передачі даних, які працюють на терагерцевих частотах.

«Ми хочемо більше даних за секунду», — сказав Міттлмен. «Якщо ви хочете зробити це, вам потрібна більша пропускна здатність, а цієї пропускної здатності просто не існує, якщо використовувати звичайні діапазони частот».

Нові методи передачі сигналу

У дослідженні Міттлмен та його колеги вводять концепцію самоприскорювальних пучків. Промені — це спеціальні конфігурації електромагнітних хвиль, які природним чином згинаються або вигинаються в одну сторону під час руху в просторі. Промені досліджувалися на оптичних частотах, але зараз досліджуються для терагерцового зв’язку.

Дослідники використали цю ідею як відправну точку. Вони розробили передавачі з ретельно розробленими шаблонами, щоб система могла маніпулювати силою, інтенсивністю та часом електромагнітних хвиль, які виробляються. Завдяки цій здатності маніпулювати світлом дослідники змушують хвилі працювати разом більш ефективно, щоб підтримувати сигнал, коли твердий предмет блокує частину променя. По суті, світловий промінь пристосовується до блокування, перемішуючи дані за шаблонами, розробленими дослідниками в передавач. Коли один шаблон заблоковано, дані передаються до наступного, а потім до наступного, якщо він заблокований. Це зберігає зв’язок сигналу повністю недоторканим. Без цього рівня контролю, коли промінь заблоковано, система не може внести жодних коригувань, тому сигнал не проходить.

Це ефективно змушує сигнал огинатися навколо об’єктів, якщо передавач не повністю заблоковано. Якщо він повністю заблокований, знадобиться інший спосіб передачі даних одержувачу.

«Викривлення балки не вирішує всіх можливих проблем з блокуванням, але воно вирішує деякі з них, і це вирішує їх у спосіб, який є кращим, ніж те, що намагалися інші», — сказав Гічем Гербуха, який керував дослідженням як докторант. в Брауні, а зараз є доцентом Університету Міссурі – Канзас-Сіті.

Дослідники підтвердили свої висновки за допомогою масштабного моделювання та експериментів, обходячи перешкоди, щоб підтримувати комунікаційні зв’язки з високою надійністю та цілісністю. Робота базується на попередньому дослідженні команди, яке показало, що канали передачі даних терагерцового діапазону можуть відбиватися від стін у кімнаті без втрати надто великої кількості даних.

Практичні застосування та поточні дослідження

Використовуючи ці вигнуті промені, дослідники сподіваються одного разу зробити бездротові мережі більш надійними навіть у багатолюдних або закритих середовищах. Це може призвести до швидшого та стабільнішого підключення до Інтернету в таких місцях, як офіси чи міста, де часто виникають перешкоди. Однак перед тим, як дійти до цього моменту, потрібно провести ще багато фундаментальних досліджень і подолати багато проблем, оскільки технологія терагерцового зв’язку все ще знаходиться в зародковому стані.

«Одне з ключових питань, яке нам задають усі, це те, наскільки ви можете вигнути і як далеко», — сказав Міттлмен. «Ми зробили приблизну оцінку цих речей, але ще не зробили кількісної оцінки, тож сподіваємося нанести це на карту».