Хотя сотовые сети и системы Wi-Fi стали более совершенными, чем когда-либо, они также быстро достигают предела своей пропускной способности. Ученые знают, что в ближайшем будущем им придется перейти на гораздо более высокие частоты связи, чем те, на которых полагаются нынешние системы, но прежде чем это произойдет, на пути стоит ряд – вполне буквальных – препятствий.
Исследователи из Университета Брауна и Университета Райса говорят, что они продвинулись на шаг ближе к преодолению таких твердых препятствий, как стены, мебель и даже люди, и делают это за счет искривления света.
В новом исследовании , опубликованном в журнале Communications Engineering, исследователи описывают, как они помогают устранить одну из крупнейших проблем, возникающих в беспроводной связи.
Современные системы для передачи данных полагаются на микроволновое излучение, но стало ясно, что будущий стандарт передачи данных будет использовать терагерцовые волны, пропускная способность которых в 100 раз превышает мощность микроволн. Одна из давних проблем заключалась в том, что, в отличие от микроволн, терагерцевые сигналы могут блокироваться большинством твердых объектов, что делает прямую видимость между передатчиком и приемником логистическим требованием.
«Большинство людей, вероятно, используют базовую станцию Wi-Fi, которая наполняет комнату беспроводными сигналами», — сказал Дэниел Миттлман, профессор Инженерной школы Брауна и старший автор исследования.
«Независимо от того, куда они движутся, они поддерживают связь. На более высоких частотах, о которых мы здесь говорим, вы больше не сможете этого делать. Вместо этого это будет направленный луч. Если вы будете двигаться, этому лучу придется следовать за вами, чтобы поддерживать связь, и если вы выйдете за пределы луча или что-то заблокирует эту связь, вы не получите никакого сигнала».
Исследователи обошли это, создав терагерцовый сигнал, который следует по изогнутой траектории вокруг препятствия, а не блокируется им. По мнению исследователей, новый метод, представленный в исследовании, может помочь совершить революцию в беспроводной связи и подчеркнуть будущую осуществимость беспроводных сетей передачи данных, работающих на терагерцовых частотах.
«Нам нужно больше данных в секунду», — сказал Миттлман. «Если вы хотите сделать это, вам нужна большая полоса пропускания, а эта полоса пропускания просто не существует при использовании традиционных диапазонов частот».
В своем исследовании Миттлман и его коллеги представили концепцию самоускоряющихся пучков. Лучи представляют собой особые конфигурации электромагнитных волн, которые естественным образом изгибаются или изгибаются в одну сторону при движении в пространстве. Лучи изучались на оптических частотах, но сейчас исследуются для терагерцовой связи.
Исследователи использовали эту идею как отправную точку. Они разработали передатчики с тщательно разработанными схемами, чтобы система могла манипулировать силой, интенсивностью и временем генерируемых электромагнитных волн. Благодаря этой способности манипулировать светом исследователи заставляют волны работать вместе более эффективно, поддерживая сигнал, когда твердый объект блокирует часть луча.
По сути, световой луч приспосабливается к блокировке, перетасовывая данные по шаблонам, которые исследователи встроили в передатчик. Когда один шаблон блокируется, данные передаются следующему, а затем следующему, если он заблокирован. Это сохраняет сигнальную линию в полной целостности. Без этого уровня контроля, когда луч заблокирован, система не может вносить какие-либо корректировки, поэтому сигнал не проходит.
Это эффективно заставляет сигнал огибать объекты, пока передатчик не заблокирован полностью. Если он полностью заблокирован, потребуется другой способ доставки данных получателю.
«Изгиб балки не решает всех возможных проблем с блокировкой, но он решает некоторые из них, и решает их лучше, чем пытались другие», — сказал Хишем Гербуха, который руководил исследованием в качестве постдокторанта. в Брауне и в настоящее время является доцентом Университета Миссури в Канзас-Сити.
Исследователи подтвердили свои выводы с помощью обширного моделирования и экспериментов по обходу препятствий для поддержания коммуникационных связей с высокой надежностью и целостностью. Работа основана на предыдущем исследовании команды, которое показало, что каналы передачи данных в терагерцовом диапазоне могут отражаться от стен в комнате, не теряя при этом слишком много данных.
Используя эти изогнутые лучи, исследователи надеются, что однажды беспроводные сети станут более надежными даже в густонаселенных или затрудненных местах. Это может привести к более быстрому и стабильному подключению к Интернету в таких местах, как офисы или города, где препятствия являются обычным явлением. Однако прежде чем дойти до этого момента, предстоит провести гораздо больше фундаментальных исследований и преодолеть множество проблем, поскольку технология терагерцовой связи все еще находится в зачаточном состоянии.
«Один из ключевых вопросов, который нам все задают, — насколько далеко вы можете повернуть и как далеко», — сказал Миттлман. «Мы сделали приблизительную оценку этих вещей, но еще не определили их количественно, поэтому мы надеемся составить карту».