Программируемые метаповерхности (ПМ), также иногда называемые реконфигурируемыми интеллектуальными поверхностями, являются интеллектуальными поверхностями, которые отражают беспроводные сигналы, но также могут динамически манипулировать электромагнитными волнами в реальном времени. Эти поверхности очень выгодны для разработки многих передовых технологий, включая передовые сенсорные и беспроводные коммуникационные системы.
Исследователи из Юго-Восточного университета, Университета Саннио и Университета Париж-Сакле-CNRS продемонстрировали, что конкретная ПМ, известная как метаповерхность пространственно-временного кодирования, может одновременно поддерживать как зондирование, так и беспроводную связь.
В их статье, опубликованной в журнале Nature Communications , представлены две перспективные схемы интегрированного зондирования и связи (ISAC), которые опираются на разработанную ими метаповерхность пространственно-временного кодирования.
«Наше исследование было основано на фундаментальном вопросе: может ли одно устройство обеспечивать высокоскоростную беспроводную связь и одновременно контролировать окружающую среду?» — рассказал изданию Android-robot.com один из старших авторов статьи Те Цзюнь Цуй.
«По мере приближения эры 6G, обещающей сверхвысокие скорости, почти нулевую задержку и широкий спектр новых приложений, растет спрос на более интегрированные и интеллектуальные системы . Будущие сети должны будут делать больше, чем просто передавать данные; они также должны взаимодействовать и реагировать на свое окружение».
Вдохновленные своим видением будущего мира с бесшовными связями, Цуй и его коллеги приступили к разработке нового ПМ, который одновременно поддерживает как высокоскоростную связь, так и сканирование окружающей среды в режиме реального времени.
Основной целью их исследования было внести вклад в развитие сетевых инфраструктур, упростив их базовую структуру, снизив их стоимость и, в конечном итоге, позволив им удовлетворить более высокие требования, связанные с технологией 6G.
«В основе нашей системы лежит технология, называемая метаповерхностью пространственно-временного кодирования — интеллектуальная программируемая поверхность, которая выходит за рамки простого отражения беспроводных сигналов», — пояснил Куй.
«В отличие от обычного зеркала, которое пассивно отражает свет, эта поверхность активно манипулирует сигналами, которые она отражает. Каждый элемент содержит диоды, которые можно включать и выключать, динамически формируя распространение электромагнитных волн».
Примечательно, что метаповерхность, разработанная Куи и его коллегами, поддерживает как исходную частоту сигнала, с которым она взаимодействует, так и дополнительные гармонические частоты, которыми можно управлять с высокой точностью.
В то время как исходная частота может использоваться для обеспечения высококачественной связи, контролируемые гармоники поддерживают зондирование окружающей среды в реальном времени и обнаружение интересующих сигналов с помощью алгоритма машинного обучения.
«Эта двойная функциональность позволяет одному устройству поддерживать стабильное подключение и одновременно контролировать окружающую среду — отслеживать движение, обнаруживать объекты и адаптироваться к изменениям в режиме реального времени», — сказал Куй.
Для оценки производительности предлагаемой ими системы зондирования и связи исследователи создали прототип метаповерхности , работающей на микроволновых частотах, а именно на частоте 10,3 ГГц. В ходе первоначальных испытаний было обнаружено, что эта программируемая поверхность эффективно справляется как с задачами коммуникации, так и с задачами зондирования.
«Мы показали, что наш прототип может динамически подстраиваться под изменения в окружающей среде — отслеживать перемещающихся пользователей, стабилизировать соединения и точно определять препятствия», — сказал Куй. «На практике этот подход может преобразовать будущие мобильные сети за счет снижения сложности и стоимости системы, оптимизации использования доступного спектра и повышения общей устойчивости инфраструктуры беспроводной связи».
Эта недавняя работа Куи и его коллег вскоре может вдохновить другие команды на разработку других подобных метаповерхностей пространственно-временного кодирования для одновременного зондирования и коммуникации. В будущем разработанная ими система может быть улучшена и использована для различных приложений реального мира, от умных городов до домашней безопасности, промышленной робототехники и автономных транспортных средств.
«В перспективе мы работаем над интеграцией передового искусственного интеллекта на системном уровне, что позволит этим умным поверхностям принимать сложные решения в режиме реального времени и еще больше улучшать возможности коммуникации и восприятия», — добавил Куй.
«Усиление мер безопасности остается критически важным направлением для обеспечения надежной, бесперебойной и защищенной работы. В конечном итоге наша цель — разработать интеллектуальные среды, которые легко адаптируются к потребностям пользователей, преобразуя повседневные пространства — от домов до целых городов — в более связанные, отзывчивые и эффективные экосистемы».
