Частоты в верхней части спектра 5G содержат наибольший объем данных и могут иметь решающее значение для дополненной и виртуальной реальности высокого разрешения, потокового видео, видеоконференцсвязи и услуг в густонаселенных городских районах. Но эти высокие частоты легко блокируются стенами, мебелью и даже людьми. Это стало препятствием на пути к полной реализации потенциала технологии.

Теперь команда, возглавляемая исследователями из Принстона, разработала новое устройство, помогающее высокочастотным сигналам 5G, известным как миллиметровые волны или mmWave, преодолеть это препятствие. Устройство, получившее название mmWall, размером примерно с небольшой планшет. Он может направлять сигналы миллиметровой волны так, чтобы они достигали всех уголков большой комнаты, а при установке в окне может передавать сигналы от наружного передатчика внутрь помещения. Исследователи представили свою работу над mmWall на симпозиуме USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем в Бостоне 19 апреля.

В то время как компьютеры и смартфоны часто подключаются к Wi-Fi внутри помещений, чтобы получить максимальную скорость передачи данных, уличные базовые станции 5G могут когда-нибудь заменить системы Wi-Fi и обеспечить высокоскоростную связь как внутри, так и снаружи, предотвращая сбои при переключении устройств между сетями, сказал Кун Ву Чо, аспирант Принстонского университета. Кафедра компьютерных наук и ведущий автор исследования. По ее словам, усиление сигналов 5G с помощью такой технологии, как mmWall, будет иметь решающее значение для более широкого внедрения.

mmWall представляет собой гармошкообразную решетку из 76 вертикальных панелей, которые могут как отражать, так и преломлять радиоволны на частотах выше 24 гигагерц, нижней границы сигналов mmWave. Эти частоты могут обеспечить полосу пропускания, в 5-10 раз превышающую максимальную пропускную способность сетей 4G. Устройство может направлять лучи в обход препятствий, а также эффективно выравнивать лучи передатчика и приемника для быстрого установления соединений и их бесперебойного обслуживания.

"Беспроводные передачи на этих более высоких частотах больше напоминают лучи света, чем трансляцию во всех направлениях, и поэтому легко блокируются людьми и другими препятствиями", - сказал старший автор исследования Кайл Джеймисон, профессор компьютерных наук, возглавляющий Принстонскую лабораторию передовых беспроводных систем (PAWS).

Поверхность mmWall является первой, способной отражать такие передачи таким образом, что угол отражения не равен углу падения, что противоречит классическому закону физики. Устройство также может "преломлять передачи, которые попадают на одну сторону поверхности под другим углом отклонения, и полностью реконфигурируется электронным способом в течение микросекунд, что позволяет ему поддерживать "скорость передачи данных" в сверхбыстрых сетях завтрашнего дня", - сказал Джеймисон.

На каждой панели mmWall расположены две извилистые линии из тонкой медной проволоки, обрамляющие линию из 28 ломаных кругов, изготовленных из более толстой проволоки, которые представляют собой мета-атомы - материалы, геометрия которых разработана для достижения настраиваемых электрических и магнитных свойств. Применение контролируемого электрического тока к этим мета-атомам может изменить поведение сигналов mmWave, которые взаимодействуют с поверхностью mmWall, динамически направляя сигналы в обход препятствий, изменяя их траекторию до 135 градусов.

"Просто изменяя напряжение, мы можем настроить фазу", или соотношение между входящими и исходящими радиоволнами, - сказал Чо. "В принципе, мы можем поворачиваться под любым углом для передачи и отражения. Современные поверхности обычно работают только на отражение или только на пропускание, но с помощью этого мы можем делать и то, и другое под любым произвольным углом с высокой амплитудой ".

По словам Чо, этот процесс аналогичен замедлению световых волн, когда они проходят через стакан воды. Вода изменяет направление световых волн и заставляет объекты казаться искаженными при просмотре через воду.

Чо математически проанализировал различные параметры геометрии мета-атомов, чтобы прийти к оптимальному размеру, форме и расположению для мета-атомов меди и путей между ними, которые были изготовлены по стандартной технологии печатных плат и смонтированы на каркасе с 3D-печатью. При проектировании mmWall команда стремилась использовать как можно меньшие метаатомы (диаметр каждого из них составляет менее миллиметра), чтобы оптимизировать их взаимодействие с mmWaves, а также упростить изготовление устройства и свести к минимуму количество меди. mmWall также потребляет всего микроватты электроэнергии, что примерно в 1000 раз меньше, чем Wi-Fi-маршрутизаторы, которые потребляют в среднем около 6 Вт.

Чо протестировал способность mmWall передавать и управлять сигналами mmWave в лаборатории площадью 900 квадратных футов в здании компьютерных наук Принстона. Установив передатчик в помещении, mmWall улучшила соотношение сигнал/шум почти во всех 23 протестированных точках по всему помещению. А когда передатчик был размещен на открытом воздухе, mmWall снова усилил сигналы по всему помещению, в том числе примерно в 40% мест, которые были полностью заблокированы без использования mmWall.