La aleatoriedad diseñada aumenta la velocidad y la precisión de la conexión en los sistemas inalámbricos de próxima generación

La próxima generación de comunicaciones inalámbricas pasará a frecuencias de señal más altas que los sistemas 5G actuales, lo que permitirá que las señales transporten muchos más datos a velocidades mucho más altas. Estas bandas de alta frecuencia, que se espera que respalden las futuras redes 6G, pueden soportar tecnologías ávidas de datos, como cascos de realidad virtual sin ataduras y sistemas de detección en tiempo real.

Sin embargo, estas frecuencias más altas tienen una desventaja: la señal se desvanece más rápidamente a medida que viaja por el aire y no puede atravesar barreras físicas, lo que significa que los transmisores y receptores deben estar alineados directamente sobre enlaces estrechos con línea de visión en lugar de las conexiones dispersas del Wi-Fi actual.

Los investigadores y colaboradores de la Universidad Rice han desarrollado una nueva forma de hacer que estos vínculos sean casi instantáneos. El equipo ha encontrado una manera de generar y controlar patrones de ondas de radio que pueden señalar la dirección de una señal con una precisión de una décima de grado (aproximadamente diez veces mejor que los métodos existentes), permitiendo que se formen enlaces de alta velocidad de datos tan pronto como se envía la señal.

“El método que presentamos en nuestro artículo desbloquea estimaciones de ángulos extremadamente rápidas con una precisión sin precedentes”, dijo Burak Bilgin, estudiante de doctorado de Rice y primer autor del estudio. publicado en Ingeniería de Comunicaciones.

“Esto, a su vez, permite que los enlaces inalámbricos se establezcan o restablezcan rápidamente con un retraso mínimo. Esto significa que nuestro enfoque permitirá que los dispositivos inalámbricos se encuentren entre sí rápidamente, lo cual es esencial para desbloquear velocidades de datos sin precedentes en las redes inalámbricas de próxima generación”.

Bilgin compara el método con un faro “que emite múltiples colores de luz, donde la intensidad de cada color se desplaza hacia afuera en todas direcciones”. En esta analogía, los faros son transmisores de radio, los barcos son receptores y la luz dispersada corresponde a ondas de radio.

“Los barcos alrededor del faro, es decir, los receptores inalámbricos, pueden determinar su posición exacta con el faro basándose en el conjunto de colores que observan y las intensidades correspondientes, que son únicas en cada dirección gracias a la aleatorización”, dijo Bilgin.

Para demostrar el concepto, los investigadores utilizaron una delgada superficie electrónica conocida como metasuperficie, fabricada por colaboradores de Los Alamos y Sandia National Laboratories. Cuando una señal de banda ancha llega a la metasuperficie, se dispersa en un patrón distinto que depende tanto de la dirección como de la frecuencia de la onda.

Cada dirección crea su propia firma, una especie de huella digital electromagnética que los receptores pueden comparar con una biblioteca pregrabada para identificar dónde se originó la señal. El proceso dura sólo unos pocos picosegundos, o billonésimas de segundo.

Los métodos anteriores pueden cambiar una señal a lo largo del tiempo o en diferentes frecuencias, pero no ambas a la vez. El equipo dirigido por Rice descubrió cómo utilizar metasuperficies para crear patrones que cambian tanto en frecuencia como con el tiempo.

“Volviendo a la analogía del faro, nuestro trabajo es el primero que tiene transmisión multicolor y variable en el tiempo”, dijo Bilgin. “Debido a que la transmisión aleatoria de colores se reorganiza en diferentes ventanas de tiempo, los barcos pueden hacer estimaciones más precisas con observaciones extendidas si el clima está nublado (señales inalámbricas ruidosas) o el faro no puede emitir diferentes colores (limitaciones de ancho de banda)”.

A medida que las redes inalámbricas avancen hacia el rango de los terahercios, este tipo de precisión será esencial.

Los experimentos requieren grandes cantidades de datos para analizar cómo se comportan estadísticamente las señales aleatorias. Los colaboradores de la Universidad de Brown contribuyeron al modelado teórico y físico del comportamiento electromagnético.

“Es un estudio de aleatoriedad programada”, dijo Bilgin. “Recopilamos muchos datos para estudiar el comportamiento promedio. Fue necesaria planificación y programación inteligente, y la investigación tuvo su parte de contratiempos inesperados, como cuando se cortó la energía durante un experimento. Pero fue gratificante ver que los resultados coincidieron con nuestras expectativas”.

Edward Knightley, profesor Schaefer-Lindsay de ingeniería eléctrica e informática y profesor de informática en Rice, dijo que el trabajo proporciona una visión temprana de cómo evolucionarán los sistemas inalámbricos a medida que crezca la demanda de datos.

“La física de la señal en sí misma da forma a lo que pueden hacer las redes”, dijo Knightley. “Este estudio convierte ese desafío en una oportunidad, mostrando que la aleatoriedad, cuando se diseña adecuadamente, puede hacer que las redes inalámbricas sean más rápidas, más inteligentes y más confiables”.