神經網絡訓練無線艾里光束實時躲避障礙物,保持室內數據暢通。(圖片來源：中國科技網)

美國普林斯頓大學研究團隊開發出一種創新“曲線球”系統,可高速穩定傳遞超高頻信號。這一神經網絡系統,能夠動態塑造無線信號的傳輸路徑,就像“曲線球”一樣繞過障礙物,從而維持穩定、高速的通信連接,可應對萬物互聯趨勢加劇和數據需求激增難題。該研究成果發表于最新一期《自然-通訊》雜志。

超高頻信號,尤其是位于微波頻譜上端的亞太赫茲頻段,雖然具備傳輸當前無線系統10倍數據量的潛力,對虛擬現實、全自動駕駛汽車等高帶寬需求應用至關重要,但其信號以高度定向的波束形式傳播,極易被物體阻擋,即使用戶在房間移動或經過書柜,也可能導致連接中斷。這一特性嚴重限制了其在復雜室內環境中的實際應用。

鑒于無線帶寬的壓力持續攀升,亞太赫茲頻段為實現更高傳輸速率和網絡容量提供了關鍵突破口。然而,如何在復雜、動態環境中保持可靠連接,一直是阻礙其應用的核心挑戰。

傳統方案依賴外部反射器來繞開障礙,但在多數現實場景中,反射器并不可靠或難以部署。團隊另辟蹊徑,采用一種名為“艾里波束”的特殊無線電波技術。該概念最早于1979年提出,其特點是能夠在傳播過程中沿彎曲軌跡前進,而非直線傳播。通過精確控制波束的曲率和彎曲位置,信號可以繞過障礙物,在非直視條件下實現有效傳輸。

然而,如何在瞬息萬變的環境中實時選擇并優化最佳彎曲路徑,仍是一個極具挑戰性的問題。團隊此次引入神經網絡,構建了一個能夠快速適應環境變化的智能系統。其工作方式類似于職業籃球運動員的投籃決策:運動員不會在每次投籃時進行復雜計算,而是依靠經驗判斷出手角度和力度。同時,團隊開發了一個高保真模擬器,使神經網絡能夠在虛擬環境中高效學習,適應各種障礙布局和動態變化。

最終,實驗驗證了該技術的可行性——超表面天線能夠精細引導波束方向和形態,實現對信號路徑的主動調控。

這項工作解決了一個長期阻礙高頻無線通信在動態環境中落地的關鍵問題。團隊展望,隨著技術進一步發展,未來的發射器將能智能導航最復雜的環境,為沉浸式虛擬現實、全自動駕駛交通等目前仍難以實現的應用,提供超高速、高可靠的無線連接支持。