La surface oriente les signaux pour les réseaux de nouvelle génération

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Les vitesses de téléchargement ultra-rapides des communications 5G reposent sur les hautes fréquences qui pilotent les transmissions. Mais les fréquences les plus élevées viennent avec un compromis.

Les fréquences situées à l’extrémité supérieure du spectre 5G contiennent la plus grande quantité de données et pourraient être essentielles à la réalité augmentée et virtuelle haute résolution, au streaming vidéo, à la vidéoconférence et aux services dans les zones urbaines surpeuplées. Mais ces fréquences haut de gamme sont facilement bloquées par les murs, les meubles et même les personnes. Cela a été un obstacle à la réalisation du plein potentiel de la technologie.

Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de Princeton a développé un nouveau dispositif pour aider les signaux 5G à haute fréquence, connus sous le nom d’ondes millimétriques ou mmWave, à surmonter cet obstacle. L’appareil, appelé mmWall, a à peu près la taille d’une petite tablette. Il peut orienter les signaux mmWave pour atteindre tous les coins d’une grande pièce et, lorsqu’il est installé dans une fenêtre, peut amener les signaux d’un émetteur extérieur à l’intérieur. Les chercheurs ont présenté leurs travaux sur mmWall lors du USENIX Symposium on Networked Systems Design and Implementation à Boston le 19 avril.

Alors que les ordinateurs et les smartphones se connectent souvent au Wi-Fi à l’intérieur pour obtenir les meilleures vitesses de données, les stations de base 5G extérieures pourraient un jour remplacer les systèmes Wi-Fi et fournir une connectivité haut débit à l’intérieur et à l’extérieur, évitant ainsi les problèmes lorsque les appareils basculent entre les réseaux, a déclaré Kun. Woo Cho, un doctorat. étudiant au département d’informatique de Princeton et auteur principal de la recherche. L’amplification des signaux 5G avec une technologie comme mmWall sera cruciale pour cette adoption plus large, a-t-elle déclaré.

Le mmWall est un ensemble de 76 panneaux verticaux en forme d’accordéon qui peuvent à la fois réfléchir et réfracter les ondes radio à des fréquences supérieures à 24 gigahertz, la limite inférieure des signaux mmWave. Ces fréquences peuvent fournir une bande passante cinq à 10 fois supérieure à la capacité maximale des réseaux 4G. L’appareil peut orienter les faisceaux autour des obstacles, ainsi qu’aligner efficacement les faisceaux de l’émetteur et du récepteur pour établir rapidement des connexions et les maintenir de manière transparente.

« Les transmissions sans fil à ces fréquences plus élevées ressemblent plus à des faisceaux de lumière qu’à une diffusion dans toutes les directions, et sont donc facilement bloquées par les humains et d’autres obstacles », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Kyle Jamieson, professeur d’informatique qui dirige le Princeton Advanced Wireless Systems. Laboratoire (PAWS).

La surface mmWall est la première à pouvoir réfléchir de telles transmissions de manière à ce que l’angle de réflexion ne soit pas égal à l’angle d’incidence, contournant ainsi une loi classique de la physique. L’appareil peut également « réfracter les transmissions qui frappent un côté de la surface à travers un angle de départ différent, et est entièrement reconfigurable électroniquement en quelques microsecondes, ce qui lui permet de suivre le » débit de ligne « des réseaux ultra-rapides de demain », a déclaré Jamieson.

Chaque panneau de mmWall contient deux lignes sinueuses de fil de cuivre fin, flanquant une ligne de 28 cercles brisés en fil plus épais, qui constituent des méta-atomes – des matériaux dont la géométrie est conçue pour obtenir des propriétés électriques et magnétiques accordables. L’application d’un courant électrique contrôlé à ces méta-atomes peut modifier le comportement des signaux mmWave qui interagissent avec la surface mmWall – en dirigeant dynamiquement les signaux autour des obstacles en décalant leurs trajectoires jusqu’à 135 degrés.

« Juste en changeant la tension, nous pouvons régler la phase », ou la relation entre les ondes radio entrantes et sortantes, a déclaré Cho. « Nous pouvons essentiellement nous diriger vers n’importe quel angle pour la transmission et la réflexion. Les surfaces de pointe ne fonctionnent généralement que pour la réflexion ou ne fonctionnent que pour la transmission, mais avec cela, nous pouvons faire les deux à n’importe quel angle arbitraire avec une amplitude élevée. »

Le processus est analogue au ralentissement des ondes lumineuses lorsqu’elles traversent un verre d’eau, a déclaré Cho. L’eau change la direction des ondes lumineuses et fait apparaître les objets déformés lorsqu’ils sont vus à travers l’eau.

Cho a analysé mathématiquement différents paramètres de la géométrie des méta-atomes pour arriver à la taille, la forme et la disposition optimales pour les méta-atomes de cuivre et les voies entre eux, qui ont été fabriqués avec la technologie de carte de circuit imprimé standard et montés sur une carte imprimée en 3D. cadre. Lors de la conception de mmWall, l’équipe visait à utiliser les plus petits méta-atomes possibles (chacun a un diamètre inférieur à un millimètre), afin d’optimiser leur interaction avec les mmWaves, ainsi que de simplifier la fabrication de l’appareil et de minimiser la quantité de cuivre . Le mmWall n’utilise également que des microwatts d’électricité, environ 1 000 fois moins que les routeurs Wi-Fi qui utilisent en moyenne environ 6 watts.

Cho a testé la capacité de mmWall à transmettre et à diriger les signaux mmWave dans un laboratoire de 900 pieds carrés dans le bâtiment informatique de Princeton. Avec un émetteur dans la pièce, mmWall a amélioré le rapport signal/bruit sur presque tous les 23 spots testés dans la pièce. Et lorsque l’émetteur a été placé à l’extérieur, mmWall a de nouveau amplifié les signaux dans toute la pièce, y compris dans environ 40 % des endroits qui avaient été complètement bloqués sans l’utilisation de mmWall.

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