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“弯曲”光的新技术会成为改善无线通信的秘诀吗?

在一项可能有助于彻底改变无线通信的突破中,研究人员揭示了一种操纵太赫兹波的新方法,使它们能够绕过障碍物而不是被障碍物阻挡。

普罗维登斯,罗德岛 [布朗大学] — 虽然蜂窝网络和 Wi-Fi 系统比以往任何时候都更先进,但它们也正在迅速达到带宽限制。科学家们知道,在不久的将来,他们将需要过渡到比当前系统所依赖的更高的通信频率,但在此之前,还有许多障碍 – 相当字面上的障碍。

布朗大学(Brown University)和莱斯大学(Rice University)的研究人员表示,他们已经朝着绕过这些坚固障碍物(如墙壁、家具甚至人)迈进了一步,他们通过弯曲光线来做到这一点。

在发表在《通信工程》杂志上的一项新研究中,研究人员描述了他们如何帮助解决无线通信中出现的最大僵局之一。目前的系统依靠微波辐射来传输数据,但很明显,未来传输数据的标准将利用太赫兹波,其数据承载能力是微波的100倍。一个长期存在的问题是,与微波不同,太赫兹信号可以被大多数固体物体阻挡,这使得发射器和接收器之间的直接视线成为后勤要求。

“大多数人可能使用Wi-Fi基站,让房间充满无线信号,”布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者丹尼尔·米特尔曼(Daniel Mittleman)说。“无论他们搬到哪里,他们都会保持联系。在我们在这里谈论的更高频率下,您将无法再这样做。相反,它将是一个定向光束。如果你四处移动,那束光束将不得不跟随你以保持链接,如果你移动到光束之外或有什么东西阻挡了该链接,那么你就得不到任何信号。

普罗维登斯,罗德岛 [布朗大学] — 虽然蜂窝网络和 Wi-Fi 系统比以往任何时候都更先进,但它们也正在迅速达到带宽限制。科学家们知道,在不久的将来,他们将需要过渡到比当前系统所依赖的更高的通信频率,但在此之前,还有许多障碍 – 相当字面上的障碍。

布朗大学(Brown University)和莱斯大学(Rice University)的研究人员表示,他们已经朝着绕过这些坚固障碍物(如墙壁、家具甚至人)迈进了一步,他们通过弯曲光线来做到这一点。

在发表在《通信工程》杂志上的一项新研究中,研究人员描述了他们如何帮助解决无线通信中出现的最大僵局之一。目前的系统依靠微波辐射来传输数据,但很明显,未来传输数据的标准将利用太赫兹波,其数据承载能力是微波的100倍。一个长期存在的问题是,与微波不同,太赫兹信号可以被大多数固体物体阻挡,这使得发射器和接收器之间的直接视线成为后勤要求。

“大多数人可能使用Wi-Fi基站,让房间充满无线信号,”布朗大学工程学院教授、该研究的资深作者丹尼尔·米特尔曼(Daniel Mittleman)说。“无论他们搬到哪里,他们都会保持联系。在我们在这里谈论的更高频率下,您将无法再这样做。相反,它将是一个定向光束。如果你四处移动,那束光束将不得不跟随你以保持链接,如果你移动到光束之外或有什么东西阻挡了该链接,那么你就得不到任何信号。

研究人员通过创建一个太赫兹信号来规避这一点,该信号沿着障碍物周围的弯曲轨迹,而不是被障碍物阻挡。据研究人员称,研究中揭示的新方法可能有助于彻底改变无线通信,并突出以太赫兹频率运行的无线数据网络的未来可行性。

“我们希望每秒有更多的数据,”Mittleman说。“如果你想做到这一点,你需要更多的带宽,而使用传统频段根本不存在这种带宽。

在这项研究中,Mittleman和他的同事引入了自加速光束的概念。光束是电磁波的特殊配置,当它们在空间中移动时,它们会自然地向一侧弯曲或弯曲。这些光束已经在光学频率下进行了研究,但现在正在探索太赫兹通信。

研究人员将这个想法作为起点。他们设计了具有精心设计的模式的发射器,以便系统可以操纵产生的电磁波的强度、强度和时间。凭借这种操纵光的能力,研究人员使波更有效地协同工作,以在固体物体阻挡光束的一部分时保持信号。从本质上讲,光束通过沿着研究人员设计到发射器中的模式打乱数据来调整阻塞。当一个模式被阻止时,数据将传输到下一个模式,如果该模式被阻止,则传输到下一个模式。这样可以使信号链路保持完全完整。如果没有这种级别的控制,当光束被阻挡时,系统无法进行任何调整,因此没有信号通过。

只要发射器没有被完全阻挡,这有效地使信号在物体周围弯曲。如果它被完全阻止,则需要另一种将数据传输到接收器的方法。

“弯曲横梁并不能解决所有可能的堵塞问题,但它的作用是解决其中一些问题,并且以一种比其他人尝试过的更好的方式解决它们,”Hichem Guerboukha说,他作为布朗大学的博士后研究员领导了这项研究,现在是密苏里大学堪萨斯城分校的助理教授。

研究人员通过广泛的模拟和实验验证了他们的发现,这些模拟和实验绕过障碍物,以保持高可靠性和完整性的通信链接。这项工作建立在该团队之前的一项研究的基础上,该研究显示太赫兹数据链路可以从房间的墙壁上反弹,而不会丢失太多数据。

通过使用这些弯曲的波束,研究人员希望有朝一日使无线网络更加可靠,即使在拥挤或受阻的环境中也是如此。这可能会在障碍物常见的办公室或城市等地方带来更快、更稳定的互联网连接。然而,在此之前,由于太赫兹通信技术仍处于起步阶段,还有很多基础研究需要做,还有很多挑战需要克服。

“每个人都问我们的一个关键问题是,你能弯曲多少,多远,”Mittleman说。“我们已经对这些事情进行了粗略的估计,但我们还没有真正量化它,所以我们希望把它绘制出来。

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://www.brown.edu/news/2024-04-09/curving-beams