科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種創(chuàng)新“曲線球”系統(tǒng)，可高速穩(wěn)定傳遞超高頻信號(hào)。這一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠動(dòng)態(tài)塑造無(wú)線信號(hào)的傳輸路徑，就像“曲線球”一樣繞過(guò)障礙物，從而維持穩(wěn)定、高速的通信連接，可應(yīng)對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)趨勢(shì)加劇和數(shù)據(jù)需求激增難題。該研究成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。

超高頻信號(hào)，尤其是位于微波頻譜上端的亞太赫茲頻段，雖然具備傳輸當(dāng)前無(wú)線系統(tǒng)10倍數(shù)據(jù)量的潛力，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)、全自動(dòng)駕駛汽車(chē)等高帶寬需求應(yīng)用至關(guān)重要，但其信號(hào)以高度定向的波束形式傳播，極易被物體阻擋，即使用戶在房間移動(dòng)或經(jīng)過(guò)書(shū)柜，也可能導(dǎo)致連接中斷。這一特性嚴(yán)重限制了其在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。

鑒于無(wú)線帶寬的壓力持續(xù)攀升，亞太赫茲頻段為實(shí)現(xiàn)更高傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)容量提供了關(guān)鍵突破口。然而，如何在復(fù)雜、動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持可靠連接，一直是阻礙其應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)方案依賴外部反射器來(lái)繞開(kāi)障礙，但在多數(shù)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，反射器并不可靠或難以部署。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，采用一種名為“艾里波束”的特殊無(wú)線電波技術(shù)。該概念最早于1979年提出，其特點(diǎn)是能夠在傳播過(guò)程中沿彎曲軌跡前進(jìn)，而非直線傳播。通過(guò)精確控制波束的曲率和彎曲位置，信號(hào)可以繞過(guò)障礙物，在非直視條件下實(shí)現(xiàn)有效傳輸。

然而，如何在瞬息萬(wàn)變的環(huán)境中實(shí)時(shí)選擇并優(yōu)化最佳彎曲路徑，仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)此次引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個(gè)能夠快速適應(yīng)環(huán)境變化的智能系統(tǒng)。其工作方式類(lèi)似于職業(yè)籃球運(yùn)動(dòng)員的投籃決策：運(yùn)動(dòng)員不會(huì)在每次投籃時(shí)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，而是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷出手角度和力度。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)高保真模擬器，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在虛擬環(huán)境中高效學(xué)習(xí)，適應(yīng)各種障礙布局和動(dòng)態(tài)變化。

最終，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性——超表面天線能夠精細(xì)引導(dǎo)波束方向和形態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)路徑的主動(dòng)調(diào)控。

這項(xiàng)工作解決了一個(gè)長(zhǎng)期阻礙高頻無(wú)線通信在動(dòng)態(tài)環(huán)境中落地的關(guān)鍵問(wèn)題。團(tuán)隊(duì)展望，隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，未來(lái)的發(fā)射器將能智能導(dǎo)航最復(fù)雜的環(huán)境，為沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、全自動(dòng)駕駛交通等目前仍難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，提供超高速、高可靠的無(wú)線連接支持。

亞太赫茲頻段雖能提供10倍于當(dāng)前5G的帶寬，但其信號(hào)極易被障礙物阻斷。新技術(shù)打通了高頻段在復(fù)雜場(chǎng)景中應(yīng)用的“最后一公里”，為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的高速率、大容量奠定了基礎(chǔ)。這意味著，未來(lái)我們可以享受無(wú)中斷的8K流媒體甚至VR會(huì)議；在體育場(chǎng)、火車(chē)站等人員密集區(qū)域，新技術(shù)通過(guò)單設(shè)備覆蓋更大范圍且抗干擾，減少基站建設(shè)數(shù)量及能耗，讓通信變得更加便宜。需要海量傳輸環(huán)境信息的全自動(dòng)駕駛也會(huì)變得更穩(wěn)定、更安全。