工程化随机性：未来无线系统的速度与精度双提升

下一代无线通信将进入比今天的5G系统更高的信号频率，使信号能够以更高的速度传输更多数据。这些高频段预计将支撑未来的6G网络，能够支持对数据需求极高的技术，比如无缆虚拟现实头盔和实时传感系统。

然而，这些更高的频率带来了一个权衡：信号在空气中传播时衰减得更快，且无法穿透物理障碍，这意味着发射器和接收器必须通过狭窄的视线链接直接对齐，而不是像今天的Wi-Fi那样扩散连接。

莱斯大学的研究人员及其合作伙伴开发了一种新的方法，使这些链接几乎可以瞬时建立。该团队找到了一种生成和控制无线电波模式的方法，可以在十分之一度的范围内识别信号的方向——比现有方法提高了大约十倍——使得高数据速率链接几乎在信号发送后立即形成。

“我们在论文中介绍的方法实现了前所未有的快速角度估计，准确性极高，”莱斯大学的博士生Burak Bilgin说，他是发表在通信工程上的一项研究的第一作者 发布。

“这反过来允许无线连接以最小的延迟迅速建立或恢复。这意味着我们的方法能让无线设备快速找到彼此，这对于在下一代无线网络中解锁前所未有的数据速率至关重要。”

比尔金把这种方法比作一座“发出多种颜色光的灯塔，其中每种颜色向外传播的强度是随机的。”在这个类比中，灯塔是无线发射器，船只是接收器，散射的光代表无线电波。

比尔金说：“围绕灯塔的船只，也就是无线接收器，可以根据观察到的颜色和强度来确定它们与灯塔的确切位置，这些颜色和强度在每个方向上都是独特的，这得益于随机化。”

为了说明这个概念，研究人员使用了一种称为超表面的薄电子表面，由洛斯阿拉莫斯和桑迪亚国家实验室的合作者制造。当宽带信号照射到超表面时，它会散射成一个独特的模式，这个模式取决于波的方向和频率。

每个方向都会产生其独特的特征——一种电磁指纹特征，接收器可以将其与预先录制的库进行比较，以识别信号的来源地。这个过程只需几皮秒（万亿分之一秒）。

之前的方法只能在时间或不同频率上改变信号，无法同时做到这两点。莱斯大学领导的团队找到了一种利用超表面生成频率和时间都变化的模式的方法。

比尔金说：“回到灯塔的比喻，我们的工作是首个同时实现多色和时间变化传输的。” “因为颜色的随机广播在不同时间窗口中被重新随机化，船只可以在天气雾霭（嘈杂的无线信号）或灯塔无法发出多种颜色（带宽限制）的情况下，通过延长观察来更准确地进行估计。”

随着无线网络进入太赫兹范围，这种精确性将变得至关重要。

这些实验需要大量数据来分析随机信号的统计特性。布朗大学的合作者为电磁行为的理论和物理建模做出了贡献。

比尔金说：“这是对编程随机性的研究。我们收集了大量数据来研究平均行为。这需要精心的规划和合理的调度，研究过程中也遇到了一些意想不到的挫折，比如实验期间停电。但看到结果和我们的预期一致，真是让人感到很有成就感。”

爱德华·奈特利，莱斯大学电气与计算机工程的谢福-林赛讲席教授以及计算机科学教授，表示这项工作为无线系统如何随着数据需求的增加而演变提供了早期的洞察。

奈特利说：“信号本身的物理特性影响着网络的性能。这项研究把这个挑战变成了机会，表明随机性——如果设计得当——可以使无线网络更快、更智能和更可靠。”