普林斯顿大学研发出5G信号增强设备

5G通信的超高速下载速度依赖于驱动传输的高频。但最高频率是有代价的。5G频谱上端的频率拥有最多的数据，对高分辨率增强现实和虚拟现实、视频流、视频会议以及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、家具甚至人挡住。这一直是实现该技术全部潜力的障碍。

由普林斯顿研究人员领导的团队开发了一种新设备，以帮助更高频率的5G信号(称为毫米波或mmWave)克服这一障碍。

该设备名为mmWall，大小与小型平板电脑差不多。它可以引导毫米波信号到达大房间的各个角落，并且当安装在窗户上时，可以将室外发射器的信号带到室内。研究人员于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介绍了他们在mmWall方面的工作。

普林斯顿大学计算机科学系博士生、该研究的主要作者Kun Woo Cho表示，虽然计算机和智能手机通常在室内连接到Wi-Fi以获得最佳数据速度，但户外5G基站有朝一日可以取代Wi-Fi系统，在室内外提供高速连接，防止设备在网络之间切换时出现故障。她说，用mmWall等技术增强5G信号对这一更广泛的应用至关重要

mmWall是一个类似手风琴的阵列，由76个垂直面板组成，可以反射和折射频率高于24GHz(毫米波信号的下限)的无线电波。这些频率可以提供比4G网络最大容量大5到10倍的带宽。该设备可以引导波束绕过障碍物，并有效地对准发射器和接收器的波束以快速建立连接并保持无缝连接。

普林斯顿高级无线系统实验室(PAWS)的计算机科学教授、资深研究作者Kyle Jamieson说：“这些更高频率的无线传输更像光束，而不是全方位的广播，因此很容易被人类和其他障碍物阻挡”。

mmWall表面是第一个能够以反射角不等于入射角的方式反射这种传输的表面，避开了经典的物理定律。Jamieson说，该设备还可以“折射以不同角度到达表面一侧的传输，并在微秒内完全电子可重新配置，使其能够跟上未来超快网络的线路速率”。

mmWall的每个面板都有两条蜿蜒的细铜线，两侧是一条由 28 个由较粗的线制成的虚线圆，它们构成元原子——其几何形状旨在实现可调谐的电学和磁学特性的材料。向这些元原子施加受控电流可以改变与毫米墙表面相互作用的毫米波信号的行为——通过将信号的路径移动多达135度来动态引导信号绕过障碍物。

研究人员说：“只需改变电压，我们就可以调整相位，或者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透射和反射。最先进的表面通常只起反射作用或只起透射作用，但有了这个，我们可以在任意角度和高振幅下同时进行。”

研究人员对元原子几何形状的不同参数进行了数学分析，以得出铜元原子的最佳尺寸、形状和排列以及它们之间的路径，这些铜元原子是用标准印刷电路板技术制造的，并安装在3D打印的框架上。在设计mmWall时，该团队旨在使用尽可能小的元原子(每个元原子的直径小于一毫米)，以优化它们与毫米波的相互作用，并简化设备的制造，最大限度地减少铜的用量。mmWall的耗电量也仅为微瓦，比平均耗电量约6瓦的Wi-Fi路由器低约1000 倍。

研究人员在普林斯顿计算机科学大楼900平方英尺的实验室中测试了mmWall传输和控制毫米波信号的能力。在房间内安装发射器后，mmWall改善了房间周围几乎所有23个测试点的信噪比。当发射器被放置在室外时，mmWall再次增强了整个房间的信号，包括大约40%在没有使用mmWall的情况下被完全阻挡的点。

这篇题为“毫米墙：NextG毫米波网络的可操纵、透反超材料表面”的文章于4月19日在USENIX网络系统设计与实现研讨会上发表。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省研究基金会的支持。