Взяв за основу принцип импульсной передачи сигналов, характерной для первых лет существования радио, исследователи из Университета Райса разработали технологию передачи данных в беспроводных сетях на скорости до 1 терабита в секунду.
В эпоху, когда смартфоны буквально приклеены к нашим рукам, обеспечивая лёгкий и простой доступ к огромной базе накопленных человечеством знаний, а также к видео с котиками, по всему миру постоянно передаются огромные объёмы данных. Исследователи экспериментируют с инфракрасным и СВЧ-диапазоном, а также с трансиверами миллиметровых волн, пытаясь найти новые возможности для более быстрой и эффективной передачи этой информации. И в этой гонке команда из Университета Райса решила обратить внимание на опыт работы самых первых радиостанций, чтобы, используя его в качестве основы, создать технологию сверхскоростной передачи данных в беспроводных сетях на скорости 1 терабит в секунду.
Итальянского инженера-электрика Гульельмо Маркони часто называют изобретателем радио, как системы связи на дальних расстояниях. В начале XX века Маркони продемонстрировал импульсную систему, способную передавать низкочастотные сигналы на большие расстояния, которая и заложила основы технологий беспроводной связи. На протяжении нескольких последних десятилетий в беспроводных сетях для передачи данных использовались модулированные электромагнитные волны, однако команда из Университета Райса решила вновь обратиться к технологии импульсной передачи, чтобы достичь скорости передачи данных, близкой к скоростям передачи данных в самых скоростных оптических линиях.
«Маркони использовал антенну, подключенную к огромному конденсатору, – говорит один из руководителей исследовательского проекта Айдин Бабахани. – Заряжая его, он позволял накапливаться электроэнергии до того момента, когда разница в напряжении ионизировала воздушный зазор, что позволяло одномоментно направить всю накопленную энергию в антенну. Наша импульсная система основана на принципах, лежащих в основе изобретения Маркони, однако в отличие от его опытов, в которых накопленная энергия устремлялась через воздушный зазор в огромную антенну, в нашей системе энергия идёт на антенну, собранную на основе микросхемы, через высокоскоростной биполярный транзистор».
Разработанное командой исследователей устройство накапливает магнитную энергию в микросхеме, а затем высвобождает её через цифровой триггер, создавая импульс длительностью в пикосекунды (триллионные доли секунды). Повторение данного процесса позволяет получить высокочастотные импульсы – с частотой до 10 ГГц, что в команде считают единственным возможным способом достигать в беспроводных сетях скорости передачи данных в 1 терабит в секунду без использования лазеров.
«Преодоление порога скорости в один терабит в секунду при передачи данных средствами радиосвязи позволит создавать совершенно новые виды беспроводных приложений и парадигмы связи», – говорит старший исследователь проекта Эдвард Найтли.
Следующим этапом в решении задачи по созданию беспроводной сети с возможностью передачи данных на скорости в 1 терабит в секунду члены команды видят разработку большего передатчика, использующего панель из примерно 10 000 отдельных антенн-микросхем, которая позволит передавать импульсы с частотой от 100 ГГц до нескольких ТГц. Такое количество антенн даст возможность передавать сигналы на расстояние до 0,5 км и направлять излучаемые лучи с лазерной точностью.
«Технология связи, основанная на использовании модуляции и частот, идеально подходила для низкочастотных радиоволн, которые мы использовали на протяжении последних пяти десятков лет, однако всё изменяется при работе с частотами выше 100 ГГц, – добавляет Найтли. – Вместо использования сигналов, отталкивающихся от стен и широко рассеивающихся по всей окружающей среде, мы движемся к режиму, в котором единственным эффективным способом передачи сигнала является его передача в зоне прямой видимости. Преимущество такого режима передачи заключается в том, что мы можем направить всю мощность и всю передаваемую информацию непосредственно на целевое устройство, причём – с лазерной точностью попадания. При этом никто не сможет перехватить сигнал, поскольку любой приёмник, находящийся вне зоны прямой видимости, просто не сможет обнаружить данный сигнал. Таким образом, мы направляем сигнал, словно лазерный луч, но используем при этом радиоволны. Задача состоит в том, чтобы направить этот луч в нужное место, в нужное время и суметь следовать за пользователем, находящимся в движении».
