Desarrollan superficie reconfigurable inspirada en holografía para comunicaciones inalámbricas

Investigadores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad del Sudeste desarrollaron una nueva superficie reconfigurable inteligente (RIS) que no requiere conexión a una estación base, lo que podría revolucionar las comunicaciones inalámbricas. Este avance, publicado en Nature Electronics, se inspira en la holografía, un método conocido para grabar y reconstruir patrones de luz y crear imágenes tridimensionales.

Las superficies reconfigurables inteligentes (RIS) son estructuras diseñadas con elementos llamados 'meta-átomos', que permiten moldear y controlar ondas electromagnéticas en tiempo real. Estas superficies tienen el potencial de mejorar la comunicación inalámbrica y los sistemas de localización, ya que pueden redirigir, fortalecer y suprimir señales de manera confiable.

En aplicaciones convencionales, cada meta-átomo es controlado por un sistema conocido como 'estación base', conectado a la superficie mediante cables eléctricos. Aunque estos diseños logran buenos resultados, su dependencia de cables y estaciones base limita su implementación en el mundo real.

El nuevo RIS desarrollado por los investigadores se controla de manera autónoma, eliminando la necesidad de cables. "Queríamos construir una superficie reconfigurable inteligente verdaderamente autónoma para las comunicaciones inalámbricas", explicó Tie Jun Cui, autor principal del estudio. "Para lograr la autonomía, este sistema RIS debe depender de sensores de bajo costo. Los sensores que seleccionamos son detectores de potencia de radiofrecuencia".

Los detectores de potencia son circuitos electrónicos que miden la intensidad de una señal electromagnética entrante. Los investigadores utilizaron estos componentes para medir la distribución de potencia de microondas a través de su superficie reconfigurable. "Los detectores de potencia son sensibles solo a la amplitud de la señal, lo que es análogo a un holograma que solo registra información de amplitud de un campo de luz", comentó Cui. "Estas técnicas relacionadas con hologramas pueden ayudarnos a construir un RIS autocontrolado (SC-RIS) para obtener información ambiental por sí mismo antes de atender a los usuarios de comunicación".

Funcionamiento de la nueva superficie

En el diseño del RIS del equipo, una estación base y un usuario envían señales de radiofrecuencia coherentes a la superficie reconfigurable. Esta señal produce un patrón de interferencia con características únicas en la superficie, a través de un proceso que se asemeja a la creación de hologramas. Linglong Dai, coautor del estudio, explicó: "Si las dos fuentes se mueven ligeramente, estas franjas experimentarán un cambio drástico. Por lo tanto, ideamos un algoritmo de muy baja complejidad que recupera la posición basada en estas franjas. Luego, encontramos que el algoritmo solo se preocupa por la amplitud del patrón de interferencia, por lo que en hardware, el sensor solo necesita medir los componentes de intensidad".

Una vez que la superficie reconfigurable determina la ubicación de un usuario, puede alterar la fase reflectante de cada meta-átomo. Esto le permite guiar la señal que proviene de una estación base hacia el usuario, sin estar físicamente conectada a esta estación.

En comparación con los diseños convencionales, el diseño de los investigadores reduce significativamente la complejidad de los sistemas RIS, eliminando la necesidad de cables de control.

Hacia sistemas de comunicación inalámbrica más inteligentes

En pruebas iniciales, se encontró que el RIS del equipo funcionaba notablemente bien, redirigiendo con éxito las señales de microondas recibidas. En el futuro, podría utilizarse para avanzar en la infraestructura inalámbrica, ampliando su cobertura y permitiendo la optimización de las comunicaciones en tiempo real.

"Introdujimos un enfoque novedoso y de bajo costo para el autocontrol de RIS, lo que permite el despliegue masivo de RIS para comunicaciones de próxima generación", afirmó Dai. "Anticipamos que los RIS actuarán como dispositivos USB plug-and-play que pueden atender de forma autónoma a usuarios adyacentes en una red de acceso radio".

Dai, Cui y sus colegas están trabajando actualmente en mejorar su diseño de RIS propuesto y validar aún más su potencial para aplicaciones en el mundo real. Por ejemplo, están desarrollando estrategias que permitirían a varias superficies coordinar su actividad para atender a múltiples usuarios a la vez. "Estas estrategias son más complicadas, ya que diferentes usuarios se encuentran en diferentes ubicaciones, con diferentes requisitos de tasa de datos y diferentes capacidades de hardware", añadieron Cui y Dai. "Para optimizar los cambios de fase de estos múltiples SC-RIS, podríamos adoptar algoritmos descentralizados. Esto podría maximizar la calidad del servicio (QoS), manteniendo bajo el costo de comunicación".

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