11 月 8 日消息，美國萊斯大學(xué)（Rice University）研究團(tuán)隊(duì)及其合作機(jī)構(gòu)開發(fā)出一種能夠顯著提升未來無線通信系統(tǒng)連接速度與精度的新方法。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然?通訊工程》。

隨著無線通信技術(shù)邁入比 5G 更高的頻率區(qū)間，未來的 6G 網(wǎng)絡(luò)有望以更高速率傳輸更大數(shù)據(jù)量，從而支持如無線 VR 頭顯和實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)等高數(shù)據(jù)需求的應(yīng)用。

然而，這些高頻信號在空氣中衰減更快、穿透能力更弱，意味著它已經(jīng)很難像傳統(tǒng) Wi-Fi 那樣依賴漫射信號實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，所以發(fā)射端與接收端必須通過極窄的“視距直連”方式完成對齊。

萊斯大學(xué)科研人員通過設(shè)計(jì)特殊超表面材料，使其能夠在萬億分之一秒內(nèi)生成具有方向唯一性的電磁波“指紋”，使 6G 高頻信號接收端實(shí)現(xiàn) 0.1 度級的角度定位精度，較現(xiàn)有技術(shù)提升 10 倍。這項(xiàng)突破將解決未來太赫茲頻段通信中因信號衰減快、穿透性差導(dǎo)致連接中斷的難題。

萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的新方法可使這種高精度對齊幾乎瞬時(shí)完成。研究人員成功生成并控制一種可識別信號方向的無線電波模式，其角度識別精度可達(dá) 0.1 度，約為現(xiàn)有技術(shù)的十倍。這一突破使無線連接在信號發(fā)出后幾乎即可建立，大幅降低通信延遲。

論文第一作者、萊斯大學(xué)博士生布拉克?比爾金（Burak Bilgin）表示：“我們在論文中提出的方法能夠?qū)崿F(xiàn)極快速的角度估計(jì)，且精度前所未有。這使無線鏈路能夠以極低延遲快速建立或恢復(fù)，從而讓無線設(shè)備更迅速地相互定位，這是實(shí)現(xiàn)下一代高速無線通信的關(guān)鍵?！?/p>

比爾金將該原理比作一座燈塔，“它向外發(fā)出多種顏色的光，每種顏色在不同方向上的強(qiáng)度隨機(jī)變化。”在這一比喻中，燈塔代表無線發(fā)射器，船只對應(yīng)接收器，光線則象征無線電波。接收端通過觀察各顏色光的組合與強(qiáng)度，便可確定自己相對燈塔的方位，因?yàn)檫@種隨機(jī)分布在不同方向上具有唯一性。

▲ 圖源：萊斯大學(xué)

為驗(yàn)證這一原理，研究團(tuán)隊(duì)采用由美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室合作制造的一種超薄電子表面 —— 超表面（metasurface）。當(dāng)寬頻信號照射其上時(shí)，會被散射成依賴于信號方向與頻率的獨(dú)特圖案。每個(gè)方向都會形成一種專屬“電磁指紋”，接收端可將其實(shí)時(shí)比對預(yù)先記錄的信號庫，以快速確定信號來源；整個(gè)過程僅需數(shù)皮秒（即萬億分之一秒）。

以往方法通常只能在時(shí)間或頻率維度上改變信號，而無法同時(shí)控制兩者。萊斯團(tuán)隊(duì)則利用超表面實(shí)現(xiàn)了在時(shí)間與頻率雙維度的可控變化。比爾金解釋道：“延續(xù)燈塔的比喻，我們的系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了‘多色且隨時(shí)間變化’的信號發(fā)射。由于隨機(jī)色彩會在不同時(shí)間窗口重新洗牌，即使信號環(huán)境嘈雜（如‘有霧’），或帶寬受限（燈塔無法發(fā)出太多顏色），接收方仍可通過累積觀察獲得更精準(zhǔn)定位?！?/p>

研究人員指出，隨著無線通信向太赫茲頻段邁進(jìn)，這種高精度定位將變得至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)需要處理大量數(shù)據(jù)，以分析隨機(jī)信號的統(tǒng)計(jì)特性。布朗大學(xué)（Brown University）的合作者為電磁行為的理論建模和物理仿真提供了支持。

“這是一項(xiàng)關(guān)于‘可編程隨機(jī)性’的研究，”比爾金說，“我們收集了大量數(shù)據(jù)來分析其平均特性。整個(gè)過程需要精心規(guī)劃與調(diào)度，也經(jīng)歷了意外狀況，例如實(shí)驗(yàn)中曾因停電而中斷。但看到結(jié)果與預(yù)測吻合是非常值得的。”

萊斯大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授、計(jì)算機(jī)科學(xué)教授愛德華?奈特利（Edward Knightly）表示，這項(xiàng)研究展示了未來無線網(wǎng)絡(luò)如何應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)需求?！靶盘柕奈锢硖匦詻Q定了網(wǎng)絡(luò)的能力，”他說，“這項(xiàng)研究將挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為機(jī)遇，證明經(jīng)過設(shè)計(jì)的隨機(jī)性可以讓無線網(wǎng)絡(luò)更快、更智能，也更可靠。”

據(jù)介紹，該研究獲得思科、英特爾的支持，并由美國國家科學(xué)基金會（NSF）、能源部科學(xué)辦公室（Department of Energy Office of Science）下屬的洛斯阿拉莫斯與桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室資助。