La prochaine génération de communications sans fil utilisera des fréquences encore plus élevées que celles des systèmes 5G actuels, ce qui permettra aux signaux de transporter beaucoup plus de données à des vitesses bien supérieures. Ces bandes à haute fréquence, qui devraient être à la base des futurs réseaux 6G, pourraient prendre en charge des technologies gourmandes en données, telles que les casques de réalité virtuelle sans fil et les systèmes de détection en temps réel.
Cependant, ces fréquences plus élevées ont un inconvénient : le signal s’affaiblit plus rapidement lorsqu’il se propage dans l’air et ne peut pas traverser les obstacles physiques, ce qui signifie que les émetteurs et les récepteurs devront être alignés directement via des liaisons étroites et en ligne de mire, au lieu des connexions diffuses du Wi-Fi actuel.
Des chercheurs de l’université Rice et leurs collaborateurs ont mis au point une nouvelle méthode pour rendre ces liaisons quasi instantanées. L’équipe a trouvé un moyen de générer et de contrôler des modèles d’ondes radio capables d’identifier la direction d’un signal à un dixième de degré près, soit environ dix fois mieux que les approches existantes, ce qui permet d’établir des liaisons à haut débit presque dès l’envoi du signal.
« La méthode que nous présentons dans notre article permet une estimation extrêmement rapide de l’angle avec une précision sans précédent », a déclaré Burak Bilgin, doctorant à Rice et premier auteur d’une étude publiée dans Nature Communications Engineering. « Cela permet à son tour d’établir ou de rétablir rapidement des liaisons sans fil avec une latence minimale. Notre méthode permettra donc aux appareils sans fil de se trouver rapidement les uns les autres, ce qui est essentiel pour atteindre des débits de données sans précédent dans la prochaine génération de réseaux sans fil. »
Il a comparé cette méthode à un phare « émettant plusieurs couleurs de lumière, où l’intensité de chaque couleur se propageant dans toutes les directions est aléatoire ». Dans cette analogie, le phare correspond à l’émetteur sans fil, les navires aux récepteurs et la lumière dispersée aux ondes radio.
« Les navires autour du phare, c’est-à-dire les récepteurs sans fil, peuvent déterminer leur emplacement exact par rapport au phare en se basant sur l’ensemble des couleurs et les intensités correspondantes qu’ils observent, qui sont uniques dans chaque direction grâce à la randomisation », précise Burak Bilgin.
Pour illustrer cette idée, les chercheurs ont utilisé une fine surface électronique appelée métasurface, fabriquée par leurs collaborateurs des laboratoires nationaux de Los Alamos et Sandia : lorsqu’un signal à large bande frappe la métasurface, il se disperse selon un motif distinct qui dépend à la fois de la direction et de la fréquence de l’onde. Chaque direction produit sa propre signature, une sorte d’empreinte électromagnétique que les récepteurs peuvent comparer à une bibliothèque préenregistrée afin d’identifier l’origine du signal. Le processus ne prend que quelques picosecondes, soit quelques trillionièmes de seconde.
Les approches précédentes pouvaient modifier un signal dans le temps ou sur différentes fréquences, mais pas les deux à la fois. L’équipe dirigée par Rice a trouvé comment utiliser la métasurface pour générer des motifs qui varient à la fois en fréquence et dans le temps.
« Pour revenir à l’analogie du phare, notre travail est le premier à offrir une transmission multicolore et variable dans le temps », a commenté M. Bilgin. « Comme la diffusion aléatoire des couleurs est réorganisée de manière aléatoire sur différentes fenêtres temporelles, les navires peuvent faire une estimation plus précise grâce à des observations prolongées en cas de brouillard (signal sans fil bruité) ou si le phare n’est pas capable d’émettre de nombreuses couleurs différentes (limitations de bande passante). »
À mesure que les réseaux sans fil passent dans la gamme des térahertz, ce type de précision deviendra essentiel.
Les expériences ont nécessité de grands volumes de données pour analyser le comportement statistique des signaux aléatoires. Des collaborateurs de l’université Brown ont contribué à la modélisation théorique et physique du comportement électromagnétique.
« Il s’agit d’une étude sur le hasard programmé. Nous avons collecté beaucoup de données afin d’étudier le comportement moyen. Cela a nécessité une planification et une programmation intelligentes, et la recherche a connu son lot de contretemps inattendus, comme une coupure de courant pendant une expérience. Mais cela a été gratifiant de voir les résultats correspondre à nos attentes. » observe M. Bilgin
Edward Knightly, professeur Sheafor-Lindsay d’ingénierie électrique et informatique et professeur d’informatique à Rice, a déclaré que ces travaux offrent un premier aperçu de l’évolution des systèmes sans fil à mesure que la demande en données augmente.
« La physique du signal lui-même détermine ce que les réseaux peuvent faire. Cette étude transforme ce défi en opportunité, en montrant que le hasard, lorsqu’il est correctement maîtrisé, peut rendre les réseaux sans fil plus rapides, plus intelligents et plus fiables. » a conclu M. Knightly.
Programmable low-coherence wavefronts for enhanced localization | Nature Communications Engineering | DOI: 10.1038/s44172-025-00502-6
Auteurs : Burak Bilgin, Jy-Chin Liao, Hou-Tong Chen, Chun-Chieh Chang, Sadhvikas Addamane, Michael Lilly, Daniel Mittleman and Edward Knightly
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