La aleatoriedad diseñada mejora la velocidad y precisión en sistemas inalámbricos

La próxima generación de comunicación inalámbrica se adentró en frecuencias de señal aún más altas que las de los sistemas 5G actuales, permitiendo que las señales transporten una cantidad de datos mucho mayor a velocidades significativamente más rápidas. Estas bandas de alta frecuencia, que se espera que sustenten las futuras redes 6G, podrían soportar tecnologías que demandan grandes cantidades de datos, como los auriculares de realidad virtual sin cables y los sistemas de detección en tiempo real.

No obstante, estas frecuencias más altas presentan un inconveniente: la señal se desvanece más rápidamente al atravesar el aire y no puede atravesar barreras físicas, lo que significa que los transmisores y receptores deben alinearse directamente a través de enlaces estrechos y de línea de visión, en lugar de las conexiones difusas del Wi-Fi actual.

Un equipo de investigadores de Rice University y colaboradores desarrolló un nuevo método para hacer que esos enlaces sean casi instantáneos. El equipo encontró una forma de generar y controlar patrones de ondas de radio que pueden identificar la dirección de una señal con una precisión de una décima de grado, aproximadamente diez veces mejor que los enfoques existentes, lo que permite que se formen enlaces de alta velocidad de datos casi tan pronto como se envía la señal.

"El método que presentamos en nuestro artículo desbloquea una estimación de ángulo extremadamente rápida con una precisión sin precedentes", afirmó Burak Bilgin, un estudiante de doctorado de Rice y primer autor de un estudio publicado en Communications Engineering.

"Esto, a su vez, permite que los enlaces inalámbricos se establezcan o recuperen rápidamente con una latencia mínima. Esto significa que nuestro método permitirá que los dispositivos inalámbricos se encuentren rápidamente, lo cual es esencial para desbloquear tasas de datos sin precedentes en la próxima generación de redes inalámbricas."

Bilgin comparó el método con un faro que "emite múltiples colores de luz, donde la intensidad de cada color que viaja hacia afuera en todas las direcciones está aleatorizada". En esta analogía, el faro es el transmisor inalámbrico, los barcos son los receptores y la luz dispersa corresponde a las ondas de radio.

"Los barcos alrededor del faro—es decir, los receptores inalámbricos—pueden determinar su ubicación exacta en relación con el faro en función del conjunto de colores y las intensidades correspondientes que observan, que son únicas en cada dirección gracias a la aleatorización", explicó Bilgin.

Para demostrar la idea, los investigadores utilizaron una delgada superficie electrónica conocida como metasuperficie, fabricada por colaboradores en los laboratorios nacionales de Los Álamos y Sandia. Cuando una señal de banda ancha impacta la metasuperficie, se dispersa en un patrón distintivo que depende tanto de la dirección como de la frecuencia de la onda.

Cada dirección produce su propia firma—una especie de huella digital electromagnética que los receptores pueden comparar con una biblioteca pregrabada para identificar de dónde provino la señal. El proceso toma solo unos pocos picosegundos, o billonésimas de segundo.

Los enfoques anteriores podían cambiar una señal a lo largo del tiempo o a través de diferentes frecuencias, pero no ambos a la vez. El equipo liderado por Rice descubrió cómo usar la metasuperficie para generar patrones que varían tanto en frecuencia como en el tiempo.

"Volviendo a la analogía del faro, nuestro trabajo es el primero en tener tanto transmisión multicolor como variable en el tiempo", dijo Bilgin. "Debido a que la transmisión aleatoria de colores se vuelve a aleatorizar a través de diferentes ventanas de tiempo, los barcos pueden hacer una estimación más precisa con observaciones extendidas en caso de que el clima esté nublado (señal inalámbrica ruidosa) o el faro no pueda emitir muchos colores diferentes (limitaciones de ancho de banda)."

A medida que las redes inalámbricas se mueven hacia el rango de terahercios, este tipo de precisión se volverá esencial.

Los experimentos requirieron grandes volúmenes de datos para analizar cómo se comportaban estadísticamente las señales aleatorizadas. Colaboradores en Brown University contribuyeron al modelado teórico y físico del comportamiento electromagnético.

"Es un estudio de aleatoriedad programada", dijo Bilgin. "Recopilamos muchos datos para estudiar el comportamiento promedio. Requirió planificación y programación inteligente, y la investigación tuvo su parte de contratiempos inesperados, como cuando se cortó la energía durante un experimento. Pero fue gratificante ver que los resultados coincidían con nuestras expectativas."

Edward Knightly, profesor de Ingeniería Eléctrica y de Computación y profesor de Ciencias de la Computación en Rice, afirmó que el trabajo ofrece un primer vistazo de cómo evolucionarán los sistemas inalámbricos a medida que aumenten las demandas de datos.

"La física de la señal en sí misma moldea lo que las redes pueden hacer", dijo Knightly. "Este estudio convierte ese desafío en una oportunidad, mostrando que la aleatoriedad—cuando se diseña correctamente—puede hacer que las redes inalámbricas sean más rápidas, más inteligentes y más confiables."

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