高频无线电波可以无线传输虚拟现实等新兴技术所需的海量数据，但随着工程师们不断向无线电频谱的上游推进，技术开发却遇到了瓶颈。超高频带宽很容易被物体阻挡，因此用户在房间之间行走，甚至经过书架时都可能丢失传输数据。

图片来源： 普林斯顿大学

据外媒报道，普林斯顿大学（Princeton University）工程学院的研究人员开发了一种机器学习系统，可以让超高频传输避开这些障碍物。相关论文发表在期刊《Nature Communications》上。研究人员揭示了一种可以调整传输以避开障碍物的系统，该系统结合了一个能够快速适应复杂动态环境的神经网络。

首席研究员、普林斯顿大学电气与计算机工程助理教授Yasaman Ghasempour表示，这项工作是朝着在亚太赫兹波段（位于微波频谱的高端）部署数据传输迈出的重要一步。

亚太赫兹波段的传输有可能处理比现有无线系统高10倍的数据量。这种快速传输对于虚拟现实系统或全自动驾驶汽车等应用至关重要。

“随着我们的世界互联互通程度越来越高，数据需求也越来越大，对无线带宽的需求也随之飙升。亚太赫兹频率为更高的速度和容量打开了大门，”Ghasempour说道。

亚太赫兹波束很容易被阻挡，但可以通过特殊的发射器进行弯曲。像亚太赫兹波段这样的超高频信号以限定的波束传输，这与覆盖更广区域的低频无线电波不同。这使得信号很容易被阻挡，尤其是在室内以及有大量移动人员和物体的区域。

工程师们已经成功测试了使用反射器反射信号绕过障碍物的系统。但这些系统依赖于反射器，而反射器在很多情况下可能不可用或不实用。

Ghasempour的团队提议使用一种特殊的传输技术来避开障碍物。研究人员能够通过发射绕过障碍物的信号来弯曲传输光束。为此，他们运用了1979年首次提出的一种名为艾里（Airy）光束的无线电波概念，这种概念允许工程师像控制曲线球一样控制传输。如果控制得当，光束可以在复杂且移动的物体场中穿梭。“这适用于复杂的室内场景，在这些场景中没有视线，”普林斯顿大学的研究生、该论文的第一作者Haoze Chen说。“你希望链路能够适应这种情况。”

与静态系统不同，新系统允许发射器实时适应变化。通过动态调整精确的曲率特性，发射器可以引导信号绕过出现的新障碍物，即使在拥挤且不断变化的环境中也能保持强大的连接。

Chen表示，大多数关于艾里光束的研究都集中在创建光束和探索其潜在的物理特性上。“我们所做的不仅是生成光束，还要找到哪种光束在特定情况下效果最佳。人们已经证明了这些光束可以创建，但他们还没有展示如何优化它们。”

找到最佳弯曲光束是一个难题，尤其是在杂乱无章、瞬息万变的环境中。标准的光束瞄准方法——扫描房间寻找最佳传输路径——对于可弯曲传输路径并不适用。

“对于艾里光束来说，这不切实际，”Chen说道。“根据弯曲程度和弯曲位置的不同，弯曲方式有无数种。发射器根本无法扫描到。”

为了解决这个问题，研究人员借鉴了人类运动员的经验。篮球运动员不会每次投篮都拿出计算器。他们依靠过去的经验来学习在不同情况下，什么样的力量和方向最有效。为了产生这种反应，研究人员设计了一个神经网络，一个模拟大脑的计算机系统。

与篮球运动员一样，神经网络需要大量训练才能发挥作用。但Chen表示，通过传输实际光束来训练系统非常耗时。因此，论文合著者Atsutse Kludze设计了一个模拟器，让神经网络能够针对不同的障碍物和不同的环境进行虚拟训练。艾里光束背后的数学原理非常复杂，Ghasempour实验室的博士生Kludze必须创建一个能够将底层物理原理应用于几乎所有场景的系统。

向神经网络输入大量数据并非有效之举。研究人员利用物理学原理创建并训练神经网络。系统训练完成后，神经网络能够以惊人的速度进行调整。

研究人员表示，他们通过实验测试了他们的方案，实验的重点是理解这项技术并开发控制传输的方法。

“这项工作解决了一个长期存在的问题，这个问题迄今为止阻碍了如此高频率的动态无线通信的应用，”Ghasempour说道。“随着进一步的进展，我们设想的发射器即使在最复杂的环境中也能智能导航，为如今看似遥不可及的应用带来超高速、可靠的无线连接——从沉浸式虚拟现实到完全自动驾驶。”