Νέα τεχνολογία από την Κίνα εκτελεί πολύπλοκους υπολογισμούς απευθείας στα ραδιοκύματα!

Σύνοψη

• Επιστήμονες από το Southeast University της Κίνας παρουσίασαν μια καινοτόμο, προγραμματιζόμενη μετα-επιφάνεια (metasurface) η οποία είναι ικανή να εκτελεί προηγμένους μαθηματικούς υπολογισμούς αξιοποιώντας άμεσα την αλληλεπίδρασή της με τα ραδιοκύματα.
• Το νέο σύστημα παρακάμπτει εξ ολοκλήρου τη χρονοβόρα διαδικασία της ψηφιοποίησης και μετατροπής του ηλεκτρομαγνητικού σήματος σε ψηφιακά δεδομένα, διενεργώντας την επεξεργασία απευθείας στον ίδιο τον χώρο διάδοσης του κύματος.
• Η τεχνολογία υποστηρίζει την εναλλαγή μεταξύ μετασχηματισμών Fourier για την ανίχνευση της ταχύτητας και συνελιγμών για τον υπολογισμό των αποστάσεων σε πραγματικό χρόνο, προσφέροντας πρωτοφανή ευελιξία χωρίς την παραμικρή ανάγκη τροποποίησης του υποκείμενου υλικού εξοπλισμού.
• Αν και βρίσκεται επί του παρόντος σε αρχικό στάδιο πειραματικών δοκιμών, η συγκεκριμένη πλατφόρμα αναμένεται να αποτελέσει τον τεχνολογικό πυρήνα για την εξέλιξη των μελλοντικών τηλεπικοινωνιακών δικτύων 6G, των προηγμένων δορυφορικών συστημάτων επικοινωνίας και των ραντάρ επόμενης γενιάς στα αυτόνομα οχήματα.

Η εφεύρεση των ραδιοεπικοινωνιών κατά τη δεκαετία του 1890 αποτέλεσε μια επιστημονική ανακάλυψη που αναδιαμόρφωσε πλήρως την πορεία της ανθρωπότητας, επιτρέποντας την κωδικοποίηση ενός σήματος σε ένα ηλεκτρομαγνητικό ραδιοκύμα, την εκπομπή του στο περιβάλλον και την τελική του λήψη από έναν δέκτη που αναλαμβάνει τη μετάφραση και μετατροπή του σε μια κατανοητή μορφή δεδομένων. 

Με τις τρέχουσες τεχνολογικές προδιαγραφές, το ηλεκτρομαγνητικό σήμα τυπικά μετατρέπεται αρχικά σε ηλεκτρικό σήμα και στη συνέχεια ψηφιοποιείται σε αριθμητικά δεδομένα, τα οποία επεξεργάζονται από συμβατικούς μικροεπεξεργαστές προκειμένου να εξαχθεί η πληροφορία που φέρουν. 

Ωστόσο, μια ερευνητική ομάδα υπό την καθοδήγηση του Southeast University στην Κίνα απέδειξε πρακτικά ότι ορισμένοι από αυτούς τους εξαιρετικά απαιτητικούς υπολογισμούς μπορούν να εκτελεστούν απευθείας πάνω στα ίδια τα ραδιοκύματα, καθώς αυτά αλληλεπιδρούν με μια προγραμματιζόμενη επιφάνεια.

Πώς η μετα-επιφάνεια μετατρέπει το φως σε υπολογιστικό μέσο

Η προγραμματιζόμενη μετα-επιφάνεια λειτουργεί ουσιαστικά ως ένας ηλεκτρομαγνητικός υπολογιστής, επιτρέποντας την απευθείας επεξεργασία των τηλεπικοινωνιακών σημάτων κατά τη διάρκεια της φυσικής τους διάδοσης. Αντί να μετατρέπει το ηλεκτρομαγνητικό σήμα σε ψηφιακά δεδομένα, το σύστημα ρυθμίζει δυναμικά τον χρόνο και τον χώρο του κύματος, εκτελώντας τις απαραίτητες πράξεις πολλαπλασιασμού και άθροισης σε αυστηρά φυσικό επίπεδο.

Τα ραδιοκύματα, τα οποία καταλαμβάνουν το άκρο των χαμηλών συχνοτήτων του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, διαθέτουν ένα σύνολο μοναδικών ιδιοτήτων που τα καθιστούν απολύτως απαραίτητα για την ασύρματη μετάδοση πληροφοριών, καθώς έχουν την ικανότητα να ταξιδεύουν σε τεράστιες αποστάσεις μέσα από την ατμόσφαιρα, να περιθλώνται γύρω από φυσικά εμπόδια και να διαπερνούν συγκεκριμένα υλικά με ελάχιστες απώλειες. 

Μέχρι σήμερα, η εκπομπή ενός ραδιοκύματος αποτελούσε απλώς το πρώτο στάδιο της συνολικής διαδικασίας, εφόσον για την πλειονότητα των εφαρμογών απαιτείται η ακριβής χειραγώγηση των κυμάτων αυτών μέσω της μεταβολής χαρακτηριστικών όπως η κατεύθυνση, η φάση ή το πλάτος τους. Η πλέον σύγχρονη και ισχυρή μέθοδος για την επίτευξη αυτού του σκοπού βασίζεται στη χρήση μιας «μετα-επιφάνειας» (metasurface), δηλαδή μιας εξαιρετικά λεπτής, κατασκευασμένης επιφάνειας που καλύπτεται από μικροσκοπικές δομές οι οποίες έχουν σχεδιαστεί αποκλειστικά για να αλλοιώνουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα με αυστηρά ελεγχόμενους τρόπους. 

Η αρχιτεκτονική που ανέπτυξαν οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί Jun Yan Dai, Qiang Cheng και Tie Jun Cui, βασίζεται στη μακροχρόνια εξέλιξη των μετα-επιφανειών χρονικής κωδικοποίησης, επεκτείνοντας τον έλεγχο από τον στατικό χωρικό τομέα απευθείας στον χρονικό τομέα, καθιστώντας τα ίδια τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα το πρωτεύον υπολογιστικό μέσο.

Η φυσική εκτέλεση μετασχηματισμών Fourier και συνελιγμών

Το σύστημα δύναται να εναλλάσσεται δυναμικά μεταξύ των μετασχηματισμών Fourier και των συνελιγμών απλώς μεταβάλλοντας την ψηφιακή ακολουθία χρονικής κωδικοποίησης. Οι μετασχηματισμοί Fourier αναλύουν άμεσα τη μετατόπιση Doppler για την ακριβή μέτρηση της ταχύτητας, ενώ οι συνελίξεις αναλαμβάνουν τον εντοπισμό της θέσης συγκεκριμένων, γνωστών μοτίβων μέσα στο σήμα για τον αλάνθαστο υπολογισμό των φυσικών αποστάσεων.

Η επιλογή των δύο αυτών συγκεκριμένων μαθηματικών λειτουργιών δεν έγινε τυχαία, καθώς αντιπροσωπεύουν τον θεμέλιο λίθο της σύγχρονης επεξεργασίας σήματος σε παγκόσμιο επίπεδο. Ο μετασχηματισμός Fourier λειτουργεί ως ένας μηχανισμός διαχωρισμού, αναλύοντας ένα σύνθετο μοτίβο στα επιμέρους συστατικά του, όπως ακριβώς ένα πρίσμα διαχωρίζει μια λευκή δέσμη φωτός σε ένα πλήρες ουράνιο τόξο. Αντιθέτως, οι συνελίξεις χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο για την ανίχνευση του σημείου όπου ένα προκαθορισμένο μοτίβο εμφανίζεται μέσα σε μια αλληλουχία σημάτων, χαρακτηριστικό που βρίσκει άμεση εφαρμογή στα συστήματα ραντάρ για τον προσδιορισμό της ακριβούς απόστασης ενός αντικειμένου, υπολογίζοντας τον χρόνο που απαιτείται ώστε ο ανακλώμενος παλμός να ταιριάξει με τον αρχικά εκπεμπόμενο. 

Το εντυπωσιακό στοιχείο της συγκεκριμένης έρευνας έγκειται στο γεγονός ότι οι επιστήμονες δεν κατασκεύασαν δύο ξεχωριστές φυσικές επιφάνειες για τις αντίστοιχες εργασίες, αλλά προγραμμάτισαν μία ενιαία μετα-επιφάνεια με τη δυνατότητα άμεσης εναλλαγής μεταξύ των δύο λειτουργιών. Όταν το σήμα ραδιοσυχνοτήτων προσκρούει στη μετα-επιφάνεια, διαμορφώνεται άμεσα από αυτή τη χρονικά μεταβαλλόμενη απόκριση, με τα παραγόμενα κυματικά συστατικά να συνδυάζονται με πλήρη συνοχή για να παράγουν τα τελικά αποτελέσματα στο εξερχόμενο ηλεκτρομαγνητικό κύμα, αποφεύγοντας τον παραδοσιακό ψηφιακό υπολογισμό σημείο προς σημείο.

Μετρήσεις ακριβείας σε ρεαλιστικές συνθήκες και πειραματικές δοκιμές

Οι ερευνητές της επιστημονικής ομάδας επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα της επιφάνειας τόσο σε αυστηρά ελεγχόμενα εργαστηριακά περιβάλλοντα όσο και σε εξωτερικούς χώρους με πολλαπλές ραδιοφωνικές παρεμβολές. Τα αναλυτικά πειράματα κατέγραψαν εξαιρετική ανίχνευση ταχύτητας κινούμενου στόχου με απόκλιση κάτω του ενός μέτρου ανά δευτερόλεπτο και διατήρησαν τα σφάλματα μέτρησης αποστάσεων εντός της προκαθορισμένης ανάλυσης των 300 μέτρων του συστήματος.

Κατά τη διάρκεια των δοκιμών, οι μηχανικοί τροφοδότησαν το σύστημα με μια προσομοιωμένη ηχώ ραντάρ που προερχόταν από έναν στόχο ο οποίος κινούνταν με ταχύτητα 200 μέτρων ανά δευτερόλεπτο. Η μετα-επιφάνεια ανταποκρίθηκε άμεσα καταγράφοντας ταχύτητα 201 μέτρων ανά δευτερόλεπτο με τη χρήση 500 σημείων δειγματοληψίας και 199,5 μέτρων ανά δευτερόλεπτο όταν τα σημεία δειγματοληψίας αυξήθηκαν στα 1.000, αποδεικνύοντας ότι το περιθώριο σφάλματος διατηρήθηκε πλήρως εντός των θεωρητικών ορίων ανάλυσης του εξοπλισμού. Παράλληλα, η ικανότητα του συστήματος να μετράει αποστάσεις δοκιμάστηκε εκτενώς σε προσομοιωμένους στόχους που βρίσκονταν σε αποστάσεις από 4 έως 28 χιλιόμετρα μακριά, όπου τα αποτελέσματα ήταν εξίσου ενθαρρυντικά χωρίς αλλοιώσεις στην ακρίβεια του εντοπισμού. 

Όλες αυτές οι διεργασίες εκτελέστηκαν αποκλειστικά μέσω της εναλλαγής της μετα-επιφάνειας από μετασχηματισμό Fourier σε συνέλιξη και το αντίστροφο, χωρίς την ελάχιστη φυσική τροποποίηση του hardware. Θα πρέπει βέβαια να διευκρινιστεί πως τα συμβατικά ηλεκτρονικά συστήματα εξακολουθούν να είναι απαραίτητα για τη δημιουργία και τη φόρτωση των ακολουθιών χρονικής κωδικοποίησης, τον συγχρονισμό της μετα-επιφάνειας και την τελική προβολή των δεδομένων εξόδου στον χρήστη.

Η μετάβαση στα δίκτυα 6G και τα μελλοντικά ραντάρ αυτοκινήτων

Η καθολική ενσωμάτωση αυτής της ριζοσπαστικής αρχιτεκτονικής στα συστήματα τηλεπικοινωνιών αναμένεται να ελαχιστοποιήσει δραστικά την εξάρτηση από τους εξαιρετικά δαπανηρούς μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό σήμα (ADC). Η μελλοντική τελειοποίηση της ταχύτητας διαμόρφωσης θα διασφαλίσει τη διαχείριση σημάτων πολύ ευρύτερου φάσματος, προετοιμάζοντας το έδαφος για τις τηλεπικοινωνίες 6G, τις προηγμένες δορυφορικές ζεύξεις και τα ραντάρ που απαιτούνται για την ασφαλή πλοήγηση στην αυτόνομη οδήγηση.

Η σημαντικότερη πρόκληση που καλούνται πλέον να αντιμετωπίσουν οι κατασκευαστές είναι η αύξηση της ταχύτητας διαμόρφωσης της μετα-επιφάνειας, διατηρώντας ταυτόχρονα ανέπαφη την ακρίβεια, τη σταθερότητα λειτουργίας και την ενεργειακή απόδοση του συνολικού συστήματος. Οι υψηλότερες ταχύτητες διαμόρφωσης κρίνονται απολύτως απαραίτητες για την επεξεργασία σημάτων ευρύτερου φάσματος, παρότι γνωρίζουμε ότι τέτοιες αυξήσεις συνήθως επιφέρουν μεγαλύτερες απώλειες σήματος και δημιουργούν την ανάγκη για πολύ πιο σύνθετο υποστηρικτικό υλικό εξοπλισμό. 

Μόλις ξεπεραστούν αυτά τα κατασκευαστικά εμπόδια, η πρώτη και πλέον προφανής εμπορική εφαρμογή της νέας τεχνολογίας θα εστιάσει στα συστήματα ραντάρ υψηλής ακρίβειας. Από εκείνο το σημείο και έπειτα, η μετέπειτα εξέλιξη του hardware θα επιτρέψει τη δημιουργία μιας ενιαίας πλατφόρμας η οποία θα μπορεί να εναλλάσσεται με απόλυτη ευελιξία μεταξύ διαφορετικών, ιδιαίτερα απαιτητικών υπολογιστικών εργασιών, προσφέροντας υψηλότατες ταχύτητες επεξεργασίας δεδομένων που θα αναβαθμίσουν άμεσα την αξιοπιστία των αυτόνομων οχημάτων στους δρόμους, την ταχύτητα απόκρισης των διαστημικών δορυφόρων και τις υποδομές των επόμενων γενεών ασύρματων δικτύων.