Draadloos netwerk reikt verder met gebogen radiogolven

Computergebruik

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 20 augustus 2025

Er zijn oneindig veel mogelijke Airy-paden die tussen de zender en de ontvanger kunnen worden geconfigureerd. Deze illustratie toont drie voorbeelden van dergelijke paden. [Afbeelding: Haoze Chen et al. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

10x snellere draadloze netwerken

Draadloze netwerken voor thuis en op kantoor doen het goed, maar sommige toepassingen, zoals virtual reality, hebben behoefte aan meer bandbreedte.

Het grootste probleem is dat ultrahoge frequentiebanden gemakkelijk door objecten worden geblokkeerd. Hierdoor ontstaan er onderbrekingen in de transmissie als de gebruiker tussen kamers loopt of zelfs langs een meubelstuk loopt.

Het goede nieuws is dat Haoze Chen en collega's aan de Princeton University in de VS al een idee hebben hoe ze radiogolven op een eenvoudige manier obstakels kunnen laten afbuigen, door ze letterlijk om objecten, muren of de lichamen van andere gebruikers heen te buigen.

Het werkte zo goed dat het team al overweegt om de subterahertzband te verkennen, die potentieel tien keer meer data kan verwerken dan huidige draadloze systemen. Dit type snelle transmissie zal bijvoorbeeld zeer nuttig zijn in virtual reality-systemen en volledig autonome voertuigen.

Ultrahoge frequenties, zoals die in de subterahertzband, worden in gedefinieerde bundels verzonden, in tegenstelling tot laagfrequente radiogolven, die zich over grotere gebieden verspreiden. Dit veroorzaakt veel blokkeringsproblemen, vooral in binnenruimtes met veel beweging van mensen en objecten.

Vervolgens ging het team op zoek naar een ander type golfbundel: golven die kunnen buigen.

Leren hoe je een bundel kunt genereren die optimaal rond een obstakel buigt en maximaal vermogen aan de ontvanger levert. [Afbeelding: Haoze Chen et al. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

Radiogolven die buigen

Om radiogolfbundels te laten buigen en om objecten heen te laten gaan, onderzocht het team een idee dat bijna 50 jaar geleden werd voorgesteld. Dit idee bestond uit het creëren van een type radiogolf dat ' Airy beams ' wordt genoemd. Hiermee kunnen de transmissies zo worden gevormd dat ze geen perfect rechte lijn volgen, maar zich gedragen als een voetbal en in feite om de barrière heen buigen die hun doorgang probeert te blokkeren.

Luchtige lichtbundels werden theoretisch al in 1979 voorspeld door Michael Berry en Nandor Balazs, maar wetenschappers slaagden er pas in 2007 in om dit gebogen licht in de praktijk te genereren . De naam Luchtige lichtbundels verwijst naar de Airy-integraal, die George Biddell Airy in 1830 berekende om de optische caustica achter verschijnselen zoals regenbogen te verklaren - een caustica is het oppervlak van lichtstralen die door een gebogen oppervlak worden verstrooid.

Wanneer ze correct worden aangestuurd, kunnen Airy's stralen zich door een complex, bewegend veld van objecten manoeuvreren. Om realistische situaties te beheersen waarin je nooit weet waar een obstakel zal verschijnen, gebruikte het team kunstmatige intelligentie (AI) , een neuraal netwerk waarmee ze de transmissie snel kunnen aanpassen aan een complexe, dynamische omgeving.

In tegenstelling tot statische draadloze systemen stelt het nieuwe systeem zenders in staat zich aan te passen aan realtime veranderingen door continu de precieze buigingseigenschappen van de radiogolfbundel aan te passen. Hierdoor kan de zender signalen om nieuwe obstakels heen sturen zodra deze zich voordoen, waardoor een sterke verbinding behouden blijft, zelfs in drukke, voortdurend veranderende omgevingen.

"Wat we doen, is niet alleen de bundels genereren, maar ook uitzoeken welke het beste werken in de gegeven situatie", aldus Chen. "Men heeft aangetoond dat deze bundels kunnen worden gecreëerd, maar ze hebben nog niet aangetoond hoe ze geoptimaliseerd kunnen worden."

Experimentele realisatie van Airy-balken. [Afbeelding: Haoze Chen et al. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

Dynamisch leren

Het correct vormen van elke balk met de juiste kromming is een lastig probleem, vooral in een dynamische omgeving. De standaardmethode voor beam steering – het scannen van een ruimte naar het beste transmissiepad – werkt niet voor de gevallen die het team voor ogen heeft. Bovendien is het door de complexe wiskunde van Airy-balken onpraktisch om de mate van elke kromming te berekenen en waar elke buiging moet beginnen.

Om dit probleem op te lossen, lieten de onderzoekers zich inspireren door atleten: spelers pakken niet elke keer dat ze een bal moeten schoppen of gooien een rekenmachine; ze vertrouwen op eerdere ervaringen om de kracht en richting in verschillende situaties te berekenen. Om dit soort reacties te genereren, ontwierpen de onderzoekers een neuraal netwerk, een computersysteem dat de hersenen nabootst. Het trainen van het neurale netwerk zou echter ook talloze experimenten vereisen, dus ontwierp het team een simulator die snel een scala aan mogelijkheden genereert.

De testen bestonden uit experimenten die gericht waren op het begrijpen van de technologie en het ontwikkelen van manieren om transmissies te controleren, waardoor het systeem dichter bij praktisch gebruik komt.

"Dit werk pakt een al lang bestaand probleem aan dat de toepassing van zulke hoge frequenties in dynamische draadloze communicatie tot nu toe heeft verhinderd", aldus professor Yasaman Ghasempour. "Met nieuwe ontwikkelingen voorzien we zenders die zelfs in de meest complexe omgevingen intelligent kunnen navigeren en ultrasnelle en betrouwbare draadloze connectiviteit kunnen bieden aan toepassingen die momenteel ontoegankelijk lijken – van immersieve virtual reality tot volledig autonoom vervoer."

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen