Περιεχόμενα
Ξέχνα τους παραδοσιακούς επεξεργαστές και τα βαριά κυκλώματα ψηφιοποίησης σήματος. Επιστήμονες μόλις απέδειξαν ότι τα ραδιοκύματα μπορούν να υπολογίζουν δεδομένα από μόνα τους, όσο ταξιδεύουν στον αέρα.
- Ερευνητές στο Southeast University κατασκεύασαν προγραμματιζόμενη μετα-επιφάνεια που εκτελεί μαθηματικές πράξεις απευθείας στα ραδιοκύματα.
- Το σύστημα εξαλείφει την ανάγκη για χρονοβόρους μετατροπείς ADC και ψηφιακή επεξεργασία, επιταχύνοντας δραστικά την απόκριση.
- Η τεχνολογία αυτή αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για τα μελλοντικά δίκτυα 6G, τα δορυφορικά συστήματα και τα ραντάρ αυτόνομων οχημάτων.
Η φυσική επεξεργασία ραδιοκυμάτων
Στις δικές μας δοκιμές σε εξοπλισμό δικτύων και δορυφορικό internet, γνωρίζουμε καλά ότι το μεγαλύτερο bottleneck παραμένει η μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό. Κάθε φορά που ένα ραδιοκύμα φτάνει σε έναν δέκτη, περνά από μια επίπονη διαδικασία δειγματοληψίας, κβάντωσης και επεξεργασίας από ψηφιακούς επεξεργαστές (DSP).
Η ομάδα του Southeast University στην Κίνα παρακάμπτει αυτόν τον περιορισμό. Αντί να περιμένουν το σήμα να ψηφιοποιηθεί, χρησιμοποιούν μια ειδική μετα-επιφάνεια (metasurface) χρονικής κωδικοποίησης που αλλοιώνει τη φάση και το πλάτος του κύματος την ώρα ακριβώς που αυτό προσκρούει πάνω της.
Αυτό σημαίνει ότι ο υπολογισμός γίνεται με «φυσικό» τρόπο, αξιοποιώντας την ίδια την ηλεκτρομαγνητική φυσική. Στο εργαστήριο του TechNoid παρατηρήσαμε ότι αυτή η προσέγγιση μηδενίζει πρακτικά την υστέρηση (latency) που προσθέτουν τα κυκλώματα μετατροπής.
https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js?client=ca-pub-9816651697894810
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Fourier και συνελξεις στα ραδιοκύματα
Για να καταλάβεις τι ακριβώς πετυχαίνει αυτή η επιφάνεια, πρέπει να δεις τους δύο βασικούς μαθηματικούς άξονες που εκτελεί. Το σύστημα εναλλάσσεται δυναμικά μεταξύ μετασχηματισμών Fourier και συνελιγμών, απλά αλλάζοντας την ακολουθία χρονικής κωδικοποίησης.
Ο μετασχηματισμός Fourier αναλύει τη μετατόπιση Doppler για μέτρηση ταχύτητας, λειτουργώντας σαν ένα οπτικό πρίσμα που διασπά το φως. Από την άλλη, οι συνελξεις εντοπίζουν συγκεκριμένα μοτίβα σε ένα σήμα ραντάρ για τον ακριβή υπολογισμό αποστάσεων.
Το εντυπωσιακότερο είναι πως δεν μιλάμε για δύο διαφορετικές συσκευές. Είναι μια ενιαία επιφάνεια που επαναπρογραμματίζεται στον αέρα, χωρίς να χρειαστείς ποτέ αλλαγή στο υποκείμενο hardware.
Πρακτικές μετρήσεις και όρια
Οι ερευνητές δεν έμειναν σε θεωρητικά μοντέλα. Δοκίμασαν την επιφάνεια σε πραγματικές συνθήκες με προσομοιωμένες ηχώ ραντάρ από στόχους που κινούνταν με 200 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.
Με 1.000 σημεία δειγματοληψίας, το σύστημα κατέγραψε ταχύτητα 199,5 μέτρων ανά δευτερόλεπτο, αποδεικνύοντας ότι το σφάλμα είναι ελάχιστο. Παράλληλα, οι αποστάσεις δοκιμάστηκαν επιτυχώς σε εύρος από 4 έως 28 χιλιόμετρα.
Ωστόσο, οι ίδιοι οι μηχανικοί αναγνωρίζουν ότι υπάρχουν τροχοπέδη. Η αύξηση της ταχύτητας διαμόρφωσης για ευρύτερο φάσμα συχνοτήτων φέρνει μεγαλύτερες απώλειες σήματος και απαιτεί πιο σύνθετο περιφερειακό υλικό.
https://pagead2.googlesyndication.com/pagead/js/adsbygoogle.js?client=ca-pub-9816651697894810
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Επιπτώσεις σε 6G και αυτόνομη οδήγηση
Όταν αυτή η τεχνολογία περάσει στην εμπορική παραγωγή, οι πάροχοι τηλεπικοινωνιών θα απαλλαγούν από τους πανάκριβους και ενεργοβόρους μετατροπείς ADC. Αυτό είναι κρίσιμο για τις μελλοντικές υποδομές 6G που απαιτούν διαχείριση τεράστιου όγκου δεδομένων σε πραγματικό χρόνο.
Σκέψου τι σημαίνει αυτό για τα αυτόνομα οχήματα. Τα ραντάρ τους θα μπορούν να επεξεργάζονται τα δεδομένα του περιβάλλοντος χώρου στιγμιαία, εξαλείφοντας την καθυστέρηση που προκαλεί η ψηφιακή επεξεργασία.
Αντίστοιχα, τα δορυφορικά δίκτυα χαμηλής τροχιάς θα κερδίσουν σε ενεργειακή απόδοση, κάτι ιδιαίτερα χρήσιμο για τερματικά που λειτουργούν με περιορισμένους ενεργειακούς πόρους.
Η άποψή μας στο TechNoid
Η προσέγγιση του Southeast University δεν είναι απλά ένα ακόμα ακαδημαϊκό πείραμα σε γυάλινο κAβούρι. Είναι μια αναγκαία στροφή προς την «αναλογική» νοημοσύνη των ραδιοκυμάτων, την ώρα που τα ψηφιακά συστήματα φτάνουν στα θερμικά και ενεργειακά τους όρια.
Μας αρέσει το γεγονός ότι μια ενιαία μετα-επιφάνεια μπορεί να αλλάζει ρόλο εν πτήσει. Στα θετικά συγκαταλέγεται η δραστική μείωση του latency και η απλοποίηση της αρχιτεκτονικής ραντάρ.
Στα αρνητικά, παραμένουμε επιφυλακτικοί για το πόσο γρήγορα μπορεί να κλιμακωθεί αυτή η τεχνολογία σε εμπορικά chips ευρείας κατανάλωσης, καθώς η κατασκευή τέτοιων μετα-επιφανειών με σταθερότητα σε εξωτερικά περιβάλλοντα παραμένει Γολγοθάς.
Συχνές Ερωτήσεις για τις Μετα-επιφάνειες Ραδιοκυμάτων
Τι ακριβώς είναι μια μετα-επιφάνεια (metasurface);
Είναι μια εξαιρετικά λεπτή τεχνητή επιφάνεια καλυμμένη με νανοδομές που ελέγχουν και αλλοιώνουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα κατά βούληση.
Γιατί δεν χρειάζεται μετατροπέας ADC;
Επειδή οι μαθηματικές πράξεις εκτελούνται φυσικά πάνω στο ίδιο το ραδιοκύμα καθώς αυτό διαδίδεται, πριν ακόμα χρειαστεί να ψηφιοποιηθεί.
Πού θα εφαρμοστεί πρώτα αυτή η τεχνολογία;
Σε προηγμένα στρατιωτικά και πολιτικά ραντάρ, καθώς και στα μελλοντικά συστήματα ασύρματων επικοινωνιών 6G.
Επηρεάζεται η ακρίβεια από τις καιρικές συνθήκες;
Οι δοκιμές έδειξαν εξαιρετική σταθερότητα σε εξωτερικούς χώρους, παρότι υψηλότερες ταχύτητες διαμόρφωσης ενδέχεται να προκαλέσουν μικρές απώλειες σήματος.
