美國(guó)萊斯大學(xué)攜手合作機(jī)構(gòu)，在無(wú)線通信領(lǐng)域取得重大突破。相關(guān)成果發(fā)表于《自然?通訊工程》，為未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展帶來(lái)新希望。
隨著無(wú)線通信技術(shù)向更高頻率邁進(jìn)，6G網(wǎng)絡(luò)有望以更快的速度傳輸海量數(shù)據(jù)，滿足無(wú)線VR頭顯、實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)等高數(shù)據(jù)需求應(yīng)用。然而，高頻信號(hào)在空氣中衰減迅速、穿透能力弱，難以像傳統(tǒng)Wi-Fi那樣依靠漫射信號(hào)傳輸，發(fā)射端與接收端需通過(guò)極窄的“視距直連”方式對(duì)齊，這成為6G發(fā)展的一大挑戰(zhàn)。
萊斯大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)出一種特殊超表面材料。這種材料能在萬(wàn)億分之一秒內(nèi)生成具有方向唯一性的電磁波“指紋”，使6G高頻信號(hào)接收端的角度定位精度達(dá)到0.1度級(jí)，較現(xiàn)有技術(shù)提升10倍。這一突破有效解決了太赫茲頻段通信中因信號(hào)衰減快、穿透性差導(dǎo)致的連接中斷問(wèn)題。
該團(tuán)隊(duì)提出的新方法還能讓高精度對(duì)齊幾乎瞬間完成。研究人員成功生成并控制一種可識(shí)別信號(hào)方向的無(wú)線電波模式，角度識(shí)別精度達(dá)0.1度，約為現(xiàn)有技術(shù)的十倍。這使得無(wú)線連接在信號(hào)發(fā)出后幾乎即可建立，大幅降低通信延遲。
論文第一作者、萊斯大學(xué)博士生布拉克?比爾金介紹，他們提出的方法能實(shí)現(xiàn)極快速的角度估計(jì)，精度前所未有。這使無(wú)線鏈路能以極低延遲快速建立或恢復(fù)，讓無(wú)線設(shè)備更迅速地相互定位，是實(shí)現(xiàn)下一代高速無(wú)線通信的關(guān)鍵。他還將該原理比作燈塔，燈塔向外發(fā)出多種顏色且強(qiáng)度隨機(jī)變化的光，無(wú)線發(fā)射器如同燈塔，接收器如同船只，無(wú)線電波如同光線，接收端通過(guò)觀察光的組合與強(qiáng)度確定自身相對(duì)燈塔的方位，因?yàn)檫@種隨機(jī)分布在不同方向上具有唯一性。
以往方法通常只能在時(shí)間或頻率維度上改變信號(hào)，無(wú)法同時(shí)控制兩者。萊斯團(tuán)隊(duì)利用超表面實(shí)現(xiàn)了時(shí)間與頻率雙維度的可控變化。比爾金解釋，延續(xù)燈塔比喻，他們的系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)“多色且隨時(shí)間變化”的信號(hào)發(fā)射。由于隨機(jī)色彩會(huì)在不同時(shí)間窗口重新洗牌，即使信號(hào)環(huán)境嘈雜或帶寬受限，接收方仍可通過(guò)累積觀察獲得更精準(zhǔn)定位。
研究人員指出，隨著無(wú)線通信向太赫茲頻段邁進(jìn)，這種高精度定位至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)需處理大量數(shù)據(jù)以分析隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，布朗大學(xué)的合作者為電磁行為的理論建模和物理仿真提供了支持。
比爾金稱這是一項(xiàng)關(guān)于“可編程隨機(jī)性”的研究，他們收集大量數(shù)據(jù)分析其平均特性，整個(gè)過(guò)程需精心規(guī)劃與調(diào)度，雖曾遇到實(shí)驗(yàn)因停電中斷等意外狀況，但看到結(jié)果與預(yù)測(cè)吻合覺(jué)得值得。
萊斯大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授、計(jì)算機(jī)科學(xué)教授愛(ài)德華?奈特利表示，這項(xiàng)研究展示了未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)數(shù)據(jù)需求的方式。信號(hào)的物理特性決定網(wǎng)絡(luò)能力，這項(xiàng)研究將挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為機(jī)遇，證明經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)的隨機(jī)性可讓無(wú)線網(wǎng)絡(luò)更快、更智能、更可靠。
該研究獲得思科、英特爾支持，并由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、能源部科學(xué)辦公室下屬的洛斯阿拉莫斯與桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室資助。論文地址：https://www.nature.com/articles/s44172-025-00502-6
