Sieć bezprzewodowa dociera dalej dzięki zakrzywionym falom radiowym

Informatyka

Zespół redakcyjny witryny poświęconej innowacjom technologicznym – 20 sierpnia 2025 r.

Istnieje nieskończona liczba możliwych ścieżek Airy'ego, które można skonfigurować między nadajnikiem a odbiornikiem. Ta ilustracja przedstawia trzy przykłady takich ścieżek. [Grafika: Haoze Chen i in. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

10x szybsze sieci bezprzewodowe

Sieci bezprzewodowe w domach i firmach radzą sobie dobrze, ale niektóre aplikacje, np. rzeczywistość wirtualna, potrzebują większej przepustowości.

Największym problemem jest to, że pasma częstotliwości o bardzo wysokiej częstotliwości są łatwo blokowane przez obiekty, co powoduje przerwy w transmisji, gdy użytkownik przemieszcza się między pomieszczeniami lub nawet przechodzi przed meblem.

Dobra wiadomość jest taka, że Haoze Chen i jego współpracownicy z Uniwersytetu Princeton w USA mają już pomysł, jak sprawić, by fale radiowe po prostu odbijały przeszkody, dosłownie zakrzywiając się wokół obiektów, ścian lub ciał innych użytkowników.

Rozwiązanie sprawdziło się na tyle dobrze, że zespół już rozważa eksplorację pasma subterahercowego, które ma potencjał przetwarzania 10 razy więcej danych niż obecne systemy bezprzewodowe. Ten rodzaj szybkiej transmisji będzie bardzo przydatny na przykład w systemach rzeczywistości wirtualnej i pojazdach w pełni autonomicznych.

Sygnały o ultrawysokiej częstotliwości, takie jak te w paśmie subterahercowym, są transmitowane w zdefiniowanych wiązkach, w przeciwieństwie do fal radiowych o niskiej częstotliwości, które rozprzestrzeniają się na większych obszarach. Stwarza to wiele problemów z blokowaniem sygnału, szczególnie w pomieszczeniach o dużym ruchu osób i obiektów.

Następnie zespół zaczął szukać innego rodzaju wiązki fal — fal, które mogą się zaginać.

Nauka generowania wiązki zoptymalizowanej pod kątem zakrzywienia wokół przeszkody i dostarczenia maksymalnej mocy do odbiornika. [Grafika: Haoze Chen i in. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

Fale radiowe, które się zginają

Aby sprawić, by wiązki fal radiowych zakrzywiały się i okrążały obiekty, zespół zbadał pomysł zaproponowany prawie 50 lat temu. Polegał on na stworzeniu rodzaju fal radiowych zwanych „ wiązkami Airy’ego ”, które umożliwiają ukształtowanie transmisji w taki sposób, aby nie podążały one idealnie prostą linią, lecz zachowywały się jak piłka nożna, skutecznie zaginając się wokół bariery, która próbuje uniemożliwić im przejście.

Wiązki światła Airy'ego zostały przewidziane teoretycznie przez Michaela Berry'ego i Nandora Balazsa w 1979 r., ale naukowcom udało się wygenerować to zakrzywione światło w praktyce dopiero w 2007 r. Nazwa „wiązki Airy'ego” nawiązuje do całki Airy'ego, obliczonej przez George'a Biddella Airy'ego w 1830 r. w celu wyjaśnienia kaustyki optycznej stojącej za zjawiskami takimi jak tęcze – kaustyka to powierzchnia promieni świetlnych rozproszonych na zakrzywionej powierzchni.

Prawidłowo sterowane wiązki Airy'ego potrafią manewrować w złożonym, ruchomym polu obiektów. Aby poradzić sobie z sytuacjami w rzeczywistych warunkach, w których nigdy nie wiadomo, gdzie pojawi się przeszkoda, zespół wykorzystał sztuczną inteligencję – sieć neuronową, która pozwala im szybko dostosowywać transmisję do złożonego, dynamicznego środowiska.

W przeciwieństwie do statycznych systemów bezprzewodowych, nowy system pozwala nadajnikom dostosowywać się do zmian w czasie rzeczywistym poprzez ciągłą regulację precyzyjnych właściwości gięcia wiązki fal radiowych. Dzięki temu nadajnik może kierować sygnały wokół nowych przeszkód w miarę ich pojawiania się, utrzymując silne połączenie nawet w zatłoczonym i ciągle zmieniającym się otoczeniu.

„Nie chodzi nam tylko o generowanie wiązek, ale o ustalenie, które z nich sprawdzają się najlepiej w danej sytuacji” – powiedział Chen. „Ludzie udowodnili, że takie wiązki można tworzyć, ale nie pokazali, jak można je zoptymalizować”.

Eksperymentalna realizacja belek Airy'ego. [Grafika: Haoze Chen i in. - 10.1038/s41467-025-62443-0]

Dynamiczne uczenie się

Prawidłowe ukształtowanie każdej belki z odpowiednią krzywizną stanowi trudny problem, szczególnie w dynamicznym środowisku. Standardowa metoda sterowania wiązką – skanowanie pomieszczenia w celu znalezienia najlepszej ścieżki transmisji – nie sprawdza się w przypadkach, które rozważa zespół. Co więcej, złożona matematyka belek Airy’ego sprawia, że obliczenie stopnia każdej krzywizny i miejsca, w którym powinno zaczynać się każde zagięcie, jest niepraktyczne.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy zainspirowali się doświadczeniami sportowców: zawodnicy nie sięgają po kalkulator za każdym razem, gdy muszą kopnąć lub rzucić piłkę; polegają na wcześniejszych doświadczeniach, aby obliczyć siłę i kierunek w różnych sytuacjach. Aby wygenerować taką reakcję, naukowcy zaprojektowali sieć neuronową – system obliczeniowy naśladujący mózg. Jednak trenowanie sieci neuronowej wymagałoby również licznych eksperymentów, dlatego zespół zaprojektował symulator, który szybko generuje cały szereg możliwości.

Testy obejmowały eksperymenty mające na celu zrozumienie technologii i opracowanie sposobów sterowania przekładniami, co przybliża system do praktycznego zastosowania.

„Ta praca rozwiązuje długotrwały problem, który do tej pory uniemożliwiał wprowadzenie tak wysokich częstotliwości w dynamicznej komunikacji bezprzewodowej” – powiedział profesor Yasaman Ghasempour. „Dzięki nowym osiągnięciom wyobrażamy sobie nadajniki zdolne do inteligentnej nawigacji nawet w najbardziej złożonych środowiskach, zapewniając ultraszybką i niezawodną łączność bezprzewodową w aplikacjach, które obecnie wydają się niedostępne – od immersyjnej rzeczywistości wirtualnej po w pełni autonomiczny transport”.

Inne wiadomości na temat:

Więcej tematów