Исследователи из Стэнфорда недавно раскрыли, как работает технология беспроводной связи, которая, казалось бы, бросает вызов физике.
Новая технология, называемая связью с тепловым шумом, использует фоновую статику, которая обычно является проклятием радио-, сотовых и других беспроводных сигналов. В новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда показала, как передатчик может доставлять данные приемнику без какого-либо активного сигнала, манипулируя крошечными колебаниями напряжения.
Результаты описывают, как система работает на фундаментальном уровне, открывая возможности для улучшения режима связи и определения для него реальных приложений. «Мы создали систему, которую другие могут очень легко внедрить», — сказала старший автор Зерина Капетанович, доцент кафедры электротехники.
Загадка физики
В своем предыдущем исследовании в Вашингтонском университете Капетанович изучала технологии сельскохозяйственного зондирования, которые вдохновили ее на использование маломощных способов передачи данных, таких как уровень влажности почвы. Она задалась вопросом, можно ли создать устройство, подобное оконным меткам радиочастотной идентификации (RFID), которые используются для оплаты проезда по шоссе в автомобилях, – без необходимости использования энергоемкого радиосигнала для проверки связи.
Она провела первоначальный тест по управлению тепловым шумом — вездесущим фоновым статическим электричеством, создаваемым вибрациями электронов в электрических проводниках. В зависимости от температуры частицы колеблются быстрее или медленнее, создавая изменения, которые может уловить чувствительное оборудование. Например, астрономы могут использовать тепловой шум, излучаемый далекими планетами и звездами, для их изучения.
Эксперимент Капетановича увенчался успехом – информация от передатчика попала в приемник. Но, что любопытно, это сработало, хотя вся система находилась при комнатной температуре. Она задалась вопросом: как возникают характерные шумовые структуры без разницы температур, что, по-видимому, противоречит физике?
Она принесла этот вопрос в Стэнфорд, где к ней присоединились ее аспиранты — Женева Экола и Джида Чжан, соавторы статьи, — и Джозеф Кан, профессор электротехники.
Вместе они создали экспериментальную установку, чтобы ответить на этот вопрос. Исследователи собрали плотно изолированную камеру, через которую не могли проникнуть другие сигналы. Внутри они разместили передатчик и приемник на испытательном стенде, который мог регулировать расстояние между ними, что позволило исследователям проверить, насколько быстро система может отправлять информацию.
Передатчик, оснащенный антенной, переключался между двумя типами электрических цепей – обрывом и коротким замыканием. Одна цепь соотносилась с числом один, другая с нулем, фундаментальными битами вычислительной информации. Приемник усиливал тепловой шум, отражающийся от антенны, чтобы «увидеть» информацию.
Мы надеемся, что эта нетрадиционная система связи сможет открыть возможности беспроводной связи там, где это было невозможно раньше.
Женева Экола
Недостающее звено: электронный холодильник
Эксперименты показали, что система создает частоты шума, которые кажутся приемнику «более горячими» и «холодными» без реальной разницы температур, что позволяет различать информацию как нули и единицы. На приемном конце усилитель действует как электронный холодильник, замедляя их и делая тепловой шум более холодным. При этом передатчик переключается между поглощающим и отражающим состояниями, совпадающими с двумя контурами. В зависимости от того, в каком состоянии находится передатчик, шум, который антенна отражает обратно в приемник, выглядит более горячим или холодным.
«Передатчик способен модулировать сигнал между более холодным и горячим, но делает это без какого-либо охлаждения», — сказал Кан. «Это всего лишь отражатель». Эта деятельность аналогична потерпевшему кораблекрушение на необитаемом острове, который использует ручное зеркало, чтобы отражать свет и посылать сигнал, добавил он.
Проверяя предположения с помощью экспериментов, команда вывела уравнение, называемое моделью канала, которое определяет фундаментальные переменные, управляющие системой. Модели каналов используются во всех формах беспроводной связи для проектирования таких систем, как сети вышек сотовой связи. «Они нужны для любого типа беспроводной системы, чтобы понять и оптимизировать ее», — сказал Капетанович. «Как только вы действительно поймете, как работает система, вы сможете полностью оптимизировать ее и достичь верхних пределов ее производительности».
Именно это команда и сделала дальше. Они внесли коррективы в настройку на основе модели и улучшили скорость передачи данных в 100 раз.
В настоящее время исследователи тестируют, как объединить несколько передатчиков в сеть и как гарантировать, что сигнал не потеряется в более шумной среде за пределами изолированной коробки.
Энергоэффективная связь
Система может быть привлекательным вариантом везде, где требуется передача относительно небольших объемов данных и мощность ограничена. Передатчик, работающий на радиочастотах, использует для передачи информации в 1000 раз больше энергии, чем передатчик, использующий только тепловой шум. «Генерация активного сигнала требует очень много энергии, и в некоторых средах вам не нужны помехи, вызванные этим активным сигналом», — сказал Чжан.
Коммуникация на основе теплового шума может использоваться вместе с оборудованием, чувствительным к электромагнитному излучению, например, с медицинскими приборами или астрономическими обсерваториями, или для зондирования окружающей среды.
«Мы надеемся, что эта нетрадиционная система связи сможет разблокировать беспроводную связь там, где раньше это было невозможно», — сказал Экола.
/ Публичный выпуск. Этот материал от исходной организации/автора(ов) может носить характер на определенный момент времени и отредактироваться для ясности, стиля и объема. Mirage.News не занимает институциональных позиций или сторон, и все взгляды, позиции и выводы, выраженные здесь, принадлежат исключительно автору(ам). Полный текст можно посмотреть здесь.
