Nuevo paradigma de antena para 6G

Una de las razones por las que ya se trabaja hacia la comunicación 6G, es el despliegue masivo del uso de dispositivos de Internet de las cosas (IoT) para monitorear y realizar tareas en todos los sectores. Existe una creciente demanda de los servicios proporcionados por dichos dispositivos tanto desde las empresas privadas como por las Administraciones Públicas. Sin embargo, los recursos de frecuencia accesibles para los dispositivos IoT siguen siendo limitados.

Diferencias entre antenas convencionales

Debido al impulso que la red 5G ha significado ya para el despliegue de millones de dispositivos IoT ha habido mucha investigación centrada en el uso de varios esquemas de modulación para incluir más datos sin causar interferencia. Sin embargo, han ignorado un aspecto importante de la comunicación inalámbrica: las antenas convencionales responden a las señales en la misma frecuencia de la misma manera.

Si se modulara el rendimiento de la antena para una frecuencia fija en función de otros aspectos de la forma de onda de la señal, como su ancho de pulso, se agregaría un nuevo grado de libertad que se puede aprovechar para transferir datos de manera eficiente.

Afortunadamente, esto es exactamente lo que ha logrado un equipo de investigadores dirigido por el Dr. Hiroki Wakatsuchi del Instituto de Tecnología de Nagoya (NITech), Japón. En su artículo publicado en Nature Communications el 6 de febrero de 2023, los investigadores presentaron un nuevo sistema que utiliza «metasuperficies» para crear selectividad basada en formas de onda en antenas.

Las antenas clásicas son incapaces de variar su rendimiento, por ejemplo, su patrón de radiación, a una frecuencia fija

En su estudio, los investigadores introdujeron un nuevo grado de libertad para cambiar el rendimiento de la antena y controlar las ondas/señales electromagnéticas incluso a la misma frecuencia usando ‘metasuperficies’, estructuras electromagnéticas diseñadas artificialmente que pueden producir propiedades electromagnéticas en función de la señal recibida. En particular, sus metasuperficies muestran un comportamiento único que transmite selectivamente las señales entrantes en respuesta a su ancho de pulso, que se aplica al diseño de la antena, explica el Dr. Wakatsuchi. El estudio involucró contribuciones del Dr. Ashif Amunulloh Fathnan de NITech, el Dr. Christos Christopoulos de la Universidad de Nottingham, Reino Unido, y el Dr. Filiberto Bilotti de la Universidad ROMA TRE, Italia.

En pocas palabras, las metasuperficies son superficies generadas artificialmente que pueden aumentar las ondas electromagnéticas en función de sus propiedades.

En consecuencia, los investigadores utilizaron metasuperficies no lineales para cambiar las propiedades de respuesta de la antena para ondas de la misma frecuencia pero con diferentes formas de onda.

Un nuevo diseño de antena 6G de ondas de superficie

Mediante la realización de experimentos y simulaciones numéricas, los investigadores demostraron que el diseño de su antena era totalmente capaz de recibir/transmitir selectivamente ondas de superficie y de espacio libre. También propusieron varias aplicaciones para su diseño, incluida la dirección de un haz principal, la recepción de señales bajo incidencia simultánea y la construcción de un sistema de comunicación mutua sin necesidad de un cambio de frecuencia o una fuente de alimentación externa.

«Con nuestra tecnología avanzando hacia las redes 6G y 7G, los espacios cibernéticos y los espacios físicos se asocian cada vez más. Usando múltiples dispositivos IoT, podríamos crear un gemelo digital para cada espacio físico», explican los investigadores.

Este concepto de espacio cibernético requiere que se implemente una cantidad sustancial de sensores IoT en espacios físicos para recopilar información sin que se produzcan interferencias electromagnéticas graves entre estos dispositivos para garantizar la actualización en tiempo real, comenta el Dr. Wakatsuchi. «Nuestro estudio contribuye a este futuro al proporcionar una forma de armonizar las comunicaciones inalámbricas mientras aumenta la cantidad de dispositivos de comunicación en la misma frecuencia».

Paper original: Pulse-driven self-reconfigurable meta-antennas, Nature Communications.

Daiju Ushikoshi, Riku Higashiura, Kaito Tachi, Ashif Aminulloh Fathnan, Suhair Mahmood, Hiroki Takeshita, Haruki Homma, Muhammad Rizwan Akram, Stefano Vellucci, Jiyeon Lee, Alessandro Toscano, Filiberto Bilotti, Christos Christopoulos & Hiroki Wakatsuchi