Сегодняшние сотовые сети и системы Wi-Fi полагаются на микроволновое излучение для передачи данных, но потребность во все большей и большей пропускной способности быстро становится больше, чем могут справиться микроволновые печи. Это заставило исследователей задуматься о передаче данных на более высокочастотных терагерцовых волнах, которые в 100 раз превышают пропускную способность микроволн.
Но технология терагерцовой связи находится в зачаточном состоянии. Предстоит провести много фундаментальных исследований и преодолеть множество проблем.Например, предполагалось, что для терагерцовых каналов потребуется прямая видимость между передатчиком и приемником.
В отличие от микроволн, терагерцовые волны полностью блокируются большинством твердых предметов. И предполагалось, что невозможно отразить терагерцевый луч, скажем, от стены или двух, чтобы найти свободный путь вокруг объекта.«Я думаю, будет справедливо сказать, что большинство людей, работающих в области терагерцового диапазона, скажут вам, что при этих отскоках будет слишком большая потеря мощности, и поэтому связи вне прямой видимости не будут возможны в терагерцах», — сказал Дэниел Миттлман, профессор инженерной школы Университета Брауна и старший автор нового исследования, опубликованного в APL Photonics. «Но наша работа показывает, что в некоторых случаях потери на самом деле вполне терпимы — намного меньше, чем многие могли подумать».
Для исследования Миттлман и его коллеги отражали терагерцовые волны на четырех разных частотах от различных объектов — зеркал, металлических дверей, стен из шлакоблоков и других — и измерили коэффициент битовых ошибок данных на волне после отскакивает. Они показали, что приемлемая частота ошибок по битам достижима при небольшом увеличении мощности сигнала.«Высказывались опасения, что для того, чтобы сделать эти отказы и не потерять ваши данные, вам потребуется больше энергии, чем можно было бы произвести», — сказал Миттлман. «Мы показываем, что вам не нужно столько энергии, сколько вы думаете, потому что потери при отскоке не так велики, как вы думаете».В одном эксперименте исследователи отразили луч от двух стен, что обеспечило успешную связь, когда передатчик и приемник находились за углом друг от друга, без какой-либо прямой видимости.
Это многообещающее открытие для поддержки идеи терагерцовых локальных сетей.«Вы можете представить себе беспроводную сеть, — объяснил Миттлман, — где чей-то компьютер подключен к терагерцовому маршрутизатору, и между ними есть прямая видимость, но затем кто-то проходит между ними и блокирует луч.
Если вы не можете найти альтернативный путь, эта ссылка будет закрыта. Мы показываем, что вы все еще можете поддерживать связь, ища новый путь, который может включать в себя отскок где-нибудь от стены. Сегодня есть технологии, которые могут сделать это поиска пути для более низких частот, и нет причин, по которым они не могут быть разработаны для терагерцового диапазона ".
Исследователи также провели несколько экспериментов на открытом воздухе с использованием беспроводных каналов терагерцового диапазона. Экспериментальная лицензия, выданная FCC, делает Браун единственным местом в стране, где на этих частотах можно законно проводить исследования на открытом воздухе. Работа важна, потому что ученые только начинают понимать детали того, как каналы передачи данных терагерцового диапазона ведут себя в элементах, говорит Миттлман.
Их исследование было сосредоточено на так называемом зеркальном отражении. Когда сигнал передается на большие расстояния, волны расходятся веером, образуя постоянно расширяющийся конус. В результате этого разветвления волна будет отскакивать от земли, прежде чем достигнет приемника. Это отраженное излучение может мешать основному сигналу, если его не компенсирует декодер.
Это хорошо известное явление в передаче микроволн. Миттлман и его коллеги хотели охарактеризовать его в терагерцовом диапазоне.Они показали, что такая интерференция действительно возникает в терагерцовом диапазоне, но в меньшей степени над травой, чем с бетоном.
Вероятно, это связано с тем, что в траве много воды, которая имеет тенденцию поглощать терагерцовые волны. Таким образом, над травой отраженный луч поглощается в большей степени, чем бетон, оставляя меньше его, чтобы мешать главному лучу. Это означает, что терагерцовые линии связи по траве могут быть длиннее, чем по бетону, потому что здесь меньше помех, с которыми приходится иметь дело, говорит Миттлман.
Но у такого рода помех с землей есть и положительная сторона.«Зеркальное отражение представляет собой еще один возможный путь для вашего сигнала», — сказал Миттлман. «Вы можете себе представить, что если ваш путь на линии участка заблокирован, вы можете подумать о том, чтобы оттолкнуть его от земли, чтобы добраться туда».
Миттлман говорит, что такого рода фундаментальные исследования природы передачи данных в терагерцовом диапазоне имеют решающее значение для понимания того, как проектировать сетевую архитектуру для будущих систем передачи данных в терагерцовом диапазоне.Соавторами Миттлмана были Цзянджун Ма, Раби Шреста и Лотар Мёллер.
Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Фондом W.M. Фонд Кека.