下一代网络的地面转向信号

5G通信的超高速下载速度依赖于驱动传输的高频。但最高频率需要权衡。

5G频谱上端的频率拥有最多的数据量，对于高分辨率增强和虚拟现实、视频流、视频会议和拥挤城市地区的服务至关重要。但这些高端频率很容易被墙壁、家具甚至人阻挡。这是实现该技术全部潜力的一个障碍。

现在，由普林斯顿大学研究人员领导的一个团队开发了一种新设备，以帮助高频5G信号（即毫米波或毫米波）克服这一障碍。这个名为mmWall的设备大约有一个小平板电脑那么大。它可以引导mmWave信号到达大房间的各个角落，当安装在窗户上时，还可以从室内的室外发射机接收信号。研究人员在mmWall上展示了他们的工作4月19日在波士顿举行的USENIX网络系统设计与实现研讨会上。

虽然电脑和智能手机通常在室内连接Wi-Fi以获得最佳数据速度，但有一天室外5G基站可能会取代Wi-Fi系统，在室内和室外提供高速连接，防止设备在网络间切换时出现故障Kun Woo Cho先生，普林斯顿大学博士生计算机科学系以及该研究的主要作者。她说，使用mmWall等技术增强5G信号对于这种更广泛的应用至关重要。

mmWall是一种由76块垂直面板组成的手风琴状阵列，可以反射和折射频率高于24千兆赫兹（mmWave信号的下限）的无线电波。这些频率可以提供比4G网络的最大容量大5到10倍的带宽。该设备可以控制光束绕过障碍物，并有效对齐发射机和接收机的光束，以快速建立连接并无缝维护。

高级研究作者说：“这些更高频率的无线传输更像是光束，而不是向各个方向的广播，因此很容易被人和其他障碍物阻挡。”凯尔·杰米森，一位计算机科学教授，领导普林斯顿高级无线系统实验室（PAWS）。

mmWall表面是第一个能够以反射角不等于入射角的方式反射此类传输的表面，从而避开了经典物理定律。Jamieson说，该设备还可以“折射以不同角度穿过表面一侧的传输，并在微秒内完全电子化重新配置，使其能够跟上未来超高速网络的“线速”。

mmWall的每个面板上都有两条蜿蜒的细铜线，两侧是一条由28个较粗铜线组成的破碎圆圈组成的线，这些圆圈构成了超原子材料，其几何形状旨在实现可调的电气和磁性。向这些元原子施加受控电流可以改变与mmWall表面交互的mmWave信号的行为，通过将其路径移动135度，动态地控制信号绕过障碍物。

Cho说：“只要改变电压，我们就可以调整相位，”或输入和输出无线电波之间的关系。“我们基本上可以转向任何角度进行传输和反射。最先进的表面通常只用于反射或仅用于传输，但有了这一点，我们可以在任意角度以高振幅进行传输。”

Cho说，这个过程类似于光波通过一杯水时的速度减慢。水改变了光波的方向，使物体在水中观看时显得扭曲。

Cho对超原子几何的不同参数进行了数学分析，以得出铜超原子的最佳尺寸、形状和排列以及它们之间的路径，这些超原子是用标准印刷电路板技术制造并安装在3D打印框架上的。在设计mmWall时，该团队的目标是使用尽可能最小的超原子（每个原子的直径小于一毫米），以优化它们与mmWaves的交互，以及简化设备的制造并将铜的数量降至最低。mmWall也只使用微瓦特的电力，大约是平均使用约6瓦特的Wi-Fi路由器的1000倍。

Cho在普林斯顿大学计算机科学大楼900平方英尺的实验室测试了mmWall传输和控制mmWave信号的能力。房间里有一个发射机，mmWall提高了房间周围几乎所有23个测试点的信噪比。当发射机放置在室外时，mmWall再次增强了房间周围的信号，包括大约40%在没有使用mmWall的情况下被完全屏蔽的点。

文章“mmWall:用于NextG mmWave网络的可控制、透射的超材料表面4月19日在USENIX网络系统设计与实现研讨会上提出。除了Cho和Jamieson，作者还包括加州大学洛杉矶分校的Mohammad Mazaheri和Omid Abari，以及马萨诸塞大学阿默斯特分校的Jeremy Gummeson。这项工作得到了美国国家科学基金会、加拿大自然科学与工程研究委员会、加拿大创新基金会和安大略研究基金会的支持。