Фоновые помехи могут передавать беспроводные данные без активного генерируемого радиосигнала

Исследователи из Стэнфорда недавно раскрыли, как работает технология беспроводной связи, которая, казалось бы, противоречит законам физики. Новая технология, получившая название thermal noise communication, использует фоновые помехи, которые обычно являются помехой для радио, сотовой связи и других беспроводных сигналов. В своем новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, команда ученых показала, как передатчик может передавать данные приемнику без какого-либо активного сигнала, манипулируя крошечными колебаниями напряжения.

Полученные результаты описывают, как система работает на фундаментальном уровне, открывая возможности для улучшения режима связи и определения ее применения в реальных условиях. "Мы создали систему, которую другие могли бы очень легко внедрить", - сказала старший автор Зерина Капетанович, доцент кафедры электротехники.

В ходе своих предыдущих исследований в Вашингтонском университете Капетанович изучала технологии сельскохозяйственного зондирования, которые вдохновили ее на поиск маломощных способов передачи данных, таких как уровень влажности почвы. Она задалась вопросом, возможно ли создать устройство, аналогичное оконным меткам радиочастотной идентификации (RFID), которые используются для оплаты проезда по шоссе в автомобилях, без необходимости использования энергоемкого радиосигнала для проверки связи.

Она провела первый тест по манипулированию тепловым шумом - вездесущим фоновым шумом, возникающим в результате колебаний электронов в электрических проводниках. В зависимости от температуры частицы колеблются быстрее или медленнее, создавая колебания, которые может уловить чувствительное оборудование. Астрономы могут, например, использовать тепловые помехи, излучаемые далекими планетами и звездами, для их изучения.

Эксперимент Капетановича прошел успешно — информация от передатчика дошла до приемника. Но, что любопытно, это работало, даже несмотря на то, что вся система находилась при комнатной температуре. Она задалась вопросом: как создаются характерные шумовые паттерны без разницы температур, что, казалось бы, противоречит законам физики?

Она обратилась с этим вопросом в Стэнфорд, где к ней присоединились ее аспиранты — Женева Экола и Джида Чжан, соавторы статьи, и Джозеф Кан, профессор электротехники.

Вместе они создали экспериментальную установку, чтобы ответить на этот вопрос. Исследователи собрали плотно изолированную камеру, в которую не могли проникнуть другие сигналы. Внутри они разместили передатчик и приемник на испытательном стенде, который мог регулировать расстояние между ними, что позволило исследователям проверить, насколько быстро система может передавать информацию.

The transmitter, outfitted with an antenna, switched between two types of electrical circuits—an open circuit and a short circuit. One circuit was correlated with the number one; the other with zero, the fundamental bits of computing information. The receiver amplified the thermal noise reflecting off the antenna to "see" the information.

The experiments showed the system creates noise frequencies that appear "hotter" and "colder" to the receiver, without actual temperature differences, allowing the information to be distinguished as zeros and ones. At the receiver end, the amplifier functions like an electron refrigerator, slowing them down and making the thermal noise appear colder. Meanwhile, the transmitter shifts between absorbent and reflective states coinciding with the two circuits. Depending on which state the transmitter is in, the noise the antenna reflects back to the receiver looks hotter or cooler.

"The transmitter is able to modulate a signal between colder and hotter, but it does that without cooling anything down," said Kahn. "It's just a reflector." The activity is analogous to a castaway on a deserted island using a hand mirror to reflect light to send a signal, he added.

Through testing assumptions with the experiments, the team derived an equation called a channel model that defines the fundamental variables governing the system. Channel models are used in all forms of wireless communication for designing systems such as networks of cell towers. "You need them for any type of wireless system in order to understand and optimize the system," said Kapetanovic. "Once you really understand how a system works, you can fully optimize it and achieve the upper bounds of its performance."

That's just what the team did next. They made adjustments to the setup based on the model and improved their rate of data transfer by 100 times.

The researchers are now testing how to link multiple transmitters into a network and how to ensure the signal doesn't get lost in noisier environments outside the insulated box.

The system could be an attractive option anywhere relatively small amounts of data transfer are needed and power is limited. A transmitter relying on radio frequencies uses up to 1,000 times as much energy to send information compared to a transmitter using only thermal noise. "Generating an active signal is very power-consuming, and in some environments you don't want interference caused by that active signal," said Zhang.

Thermal noise communication could be used alongside equipment sensitive to electromagnetic radiation, such as medical devices or astronomy observatories, or for environmental sensing.

"We're hoping that this unconventional communication system can unlock wireless communication where it hasn't been able to go before," said Ecola.