11 月 8 日消息，美國萊斯大學(xué)（Rice University）研究團隊及其合作機構(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 頭顯和實時感知系統(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)團隊提出的新方法可使這種高精度對齊幾乎瞬時完成。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 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，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，這是實現(xiàn)下一代高速無線通信的關(guān)鍵。”

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度隨機變化?！痹谶@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度，便可確定自己相對燈塔的方位，因為這種隨機分布在不同方向上具有唯一性。

▲ 圖源：萊斯大學(xué)

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

以往方法通常只能在時間或頻率維度上改變信號，而無法同時控制兩者。萊斯團隊則利用超表面實現(xiàn)了在時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)首次實現(xiàn)了‘多色且隨時間變化’的信號發(fā)射。由于隨機色彩會在不同時間窗口重新洗牌，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定位?！?/p>

研究人員指出，隨著無線通信向太赫茲頻段邁進，這種高精度定位將變得至關(guān)重要。實驗需要處理大量數(shù)據(jù)，以分析隨機信號的統(tǒng)計特性。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。

“這是一項關(guān)于‘可編程隨機性’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，例如實驗中曾因停電而中斷。但看到結(jié)果與預(yù)測吻合是非常值得的?！?/p>

萊斯大學(xué)電氣與計算機工程系教授、計算機科學(xué)教授愛德華?奈特利（Edward Knightly）表示，這項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，“這項研究將挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為機遇，證明經(jīng)過設(shè)計的隨機性可以讓無線網(wǎng)絡(luò)更快、更智能，也更可靠?！?/p>

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驗室資助。