Las redes de Terahertz se acercan a la realidad | Noviembre 2020

Las tecnologías inalámbricas han avanzado a pasos agigantados en las últimas décadas. Las velocidades han aumentado drásticamente, la conectividad ha mejorado y los protocolos de redes inalámbricas -incluyendo Wi-Fi y celular- se han vuelto omnipresentes. Hoy en día, una conexión inalámbrica razonablemente rápida y persistente está disponible en la mayor parte del mundo.

Sin embargo, a pesar de todos los avances, las redes inalámbricas actuales siguen siendo relativamente limitadas en cuanto a la forma en que manejan grandes volúmenes de datos. Las velocidades de conexión son adecuadas para tareas básicas como la navegación por la web, las videoconferencias, el comercio electrónico, los juegos, la transmisión de vídeos y el intercambio de mensajes. Sin embargo, a medida que entran en escena tecnologías nuevas y más intensivas en recursos y se expande la Internet de las cosas (IO), la necesidad de ancho de banda crece, en algunos casos, en un orden de magnitud.

Las comunicaciones de Terahertz, también conocidas como radiación submilimétrica, podrían resolver este problema. Debido a que se basa en el extremo superior del espectro de radio, en frecuencias de 300GHz a 1.000GHz, ofrece mucho más ancho de banda que las redes actuales, y puede conectar muchos más dispositivos. Al mismo tiempo, la tecnología de terahercios tiene características que podrían cambiar radicalmente la naturaleza de la computación y la IO. Esto incluye sofisticadas capacidades de detección basadas en firmas espectroscópicas.

Figura. Las frecuencias de terahercios escapan de las guías de ondas con fugas en un patrón de «arco iris» que puede utilizarse para ayudar a los dispositivos a encontrarse e identificarse en futuras redes inalámbricas de terahercios.

Recientemente, la comunicación de terahercios dio un gran paso para convertirse en una tecnología viable. Investigadores de las universidades Brown y Rice encontraron una forma de resolver un problema de larga data de mantener los dispositivos conectados a una red de terahercios. Como resultado, crece el optimismo de que la tecnología pronto evolucionará a escala comercial.

«Es posible hacer muchas más cosas -e introducir características más avanzadas- en frecuencias más altas», dice Daniel Mittleman, profesor de ingeniería de la Universidad de Brown. «El terahercio podría ser transformador».

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Cruzando el espectro

El atractivo de las redes de terahercios es claro: las redes celulares y Wi-Fi de hoy en día llevan conversaciones de voz y flujos de datos usando microondas. Sin embargo, el extremo inferior del espectro radioeléctrico no puede acomodar la creciente demanda de ancho de banda. A medida que las redes se abruman, la velocidad y el rendimiento de los dispositivos se degradan. Incluso la emergente 5G (tecnología celular de quinta generación) tiene limitaciones y con el tiempo llegará a los límites técnicos y prácticos de velocidad y rendimiento. Por otra parte, las ondas terahertz, que existen entre las frecuencias ópticas y de microondas, aumentan las velocidades de transmisión de forma múltiple, al tiempo que amplían lo que pueden hacer los sistemas inalámbricos.

La red de Terahertz «representa el próximo salto adelante de lo que podemos lograr con la comunicación y la detección», dice Edward Knightly, Profesor Sheafor-Lindsay de Ingeniería Eléctrica y Computacional en la Universidad de Rice.

Los futuros enrutadores y las redes celulares 6G probablemente incorporarán el espectro de terahercios. Sin embargo, eso es sólo el comienzo. Al proporcionar acceso a un ancho de banda casi ilimitado, los sistemas de terahercios podrían permitir que flotas de vehículos autónomos o dispositivos robóticos, incluidos los aviones no tripulados, se comunicaran sin las limitaciones de ancho de banda que a menudo provocan latencia y congestión de la red; podrían soportar entornos masivos de realidad virtual y podrían revolucionar la salud, la seguridad física y la ciberseguridad en los hogares al introducir capacidades de movimiento y detección mucho más precisas. Por ejemplo, las capacidades de detección únicas de las tecnologías de terahercios podrían vigilar la calidad del aire y detectar ciertos tipos de contaminantes que de otro modo serían difíciles de identificar, o escanear a las personas y los bolsos en los aeropuertos con mucha mayor precisión que los actuales sistemas de escaneo por ondas milimétricas.

De hecho, las capacidades de detección dentro de las redes podrían dar un gran salto adelante como resultado de la tecnología de terahercios. «Hay pocos materiales, si es que hay alguno, que puedan ser fácilmente detectados usando la espectroscopia en las bandas de baja frecuencia que se usan tradicionalmente para el radar o las comunicaciones inalámbricas», dice Mittleman. «Pero el rango de terahercios es rico en firmas espectroscópicas, por lo que hay muchos objetivos factibles de detección».

Las señales de terahercios rebotan en las superficies reflectantes; algunos materiales pueden crear reflejos que pueden extender la cobertura de gigahercios a través de casas, edificios y fábricas.

Es una consideración importante. «La tecnología crea oportunidades completamente nuevas para detectar el movimiento y para usar el posicionamiento en interiores», dice Yasaman Ghasempour, un profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton que estudió la tecnología terahertz como estudiante de posgrado en la Universidad de Rice. Por ejemplo, los sensores de terahercio podrían detectar cuando alguien o algo que no debería estar allí entra en un espacio o área específica, con un alto grado de precisión. Además, a diferencia de las técnicas basadas en la visión, la comunicación de terahercios no se ve afectada por la iluminación o las condiciones atmosféricas, y puede preservar mejor la privacidad, explica. Por ejemplo, es posible sintonizar las transmisiones de terahercios a una distancia específica, digamos 100 o 200 metros, y así controlar quién tiene acceso a las señales, dice Mittleman.

Otro aspecto de la radiación terahertz que es particularmente intrigante es su capacidad para hacer rebotar señales en superficies reflectantes. Ghasempour dice que ciertos materiales como los metales, el vidrio o incluso el hormigón pueden crear fuertes reflejos que extienden la cobertura de terahercios a través de casas, edificios y fábricas. A medida que la tecnología de terahercios se incorpora a las torres celulares y a los enrutadores, «Esto haría posible reducir o eliminar las antenas, los extensores de alcance, los puntos de acceso, los sistemas de malla y otras tecnologías inalámbricas de asistencia». Las superficies reflectantes sirven como antena en su lugar», señala.

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Todo sobre las conexiones

La detección de terahercios ya se utiliza para aplicaciones especializadas, como los satélites que vigilan la atmósfera y la transmisión especializada de imágenes y señales de corto alcance. Sin embargo, la física del espectro de terahercios tiene limitaciones incorporadas para la conexión en red. Por un lado, las longitudes de onda de terahercios se propagan de una manera completamente diferente a la de la tecnología de microondas, y no pueden penetrar en paredes sólidas o atravesar muchos objetos, como el acero y la madera (pueden atravesar algunos tipos de vidrio y plástico). A diferencia de las tecnologías inalámbricas actuales como 802.11 o las redes celulares, las ondas no pueden saturar un área o espacio interior y se conectan fácilmente a los dispositivos. «La pregunta se convierte en cuál es la dirección correcta para apuntar la señal», dice Josep Jornet, profesor asociado del departamento de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Northeastern.

A frecuencias en el rango de las ondas milimétricas, el descubrimiento de los dispositivos convencionales tiene lugar a través de un proceso de búsqueda secuencial. Un dispositivo de transmisión, digamos un router o una torre celular, escanea en varios ángulos hasta que encuentra un dispositivo con el que pueda conectarse. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia los haces se estrechan, y se requieren más pasos para este proceso de descubrimiento. Esto hace que el enfoque secuencial sea poco práctico. El problema se amplía cuando un gran número de dispositivos móviles pasan a formar parte de una red. «Encontrar la dirección correcta para transmitir la señal entre el emisor y el receptor puede ser difícil y llevar mucho tiempo. Si todos los clientes se están moviendo, el potencial de sobrecarga es alto sólo para mantener los haces alineados y los dispositivos conectados», señala Knightly.

Los investigadores están apuntando directamente a estas barreras técnicas. Por ejemplo, el grupo de las universidades Brown y Rice demostró que un dispositivo llamado guía de ondas con fugasque se ha utilizado en otros sistemas de microondas, puede ayudar al descubrimiento de enlaces en frecuencias de terahercios. El dispositivo pasivo está compuesto por dos placas metálicas que permiten que la radiación se propague en el espacio entre ellas. Una de las placas tiene una pequeña abertura que permite que se filtren pequeñas cantidades de radiación. Cambiando la apertura, es posible ajustar la frecuencia de la señal de entrada a la guía de ondas. Como resultado, la radiación se escapa en diferentes direcciones. A medida que una señal de banda ancha entra en el dispositivo desde un enrutador o torre celular, el dispositivo crea una firma única. Una vez que se produce este apretón de manos, el enrutador o la torre celular puede inferir información direccional, fijarse en ella para la comunicación direccional y mantener una conexión persistente mientras el usuario y el dispositivo se mueven.

Entre los principales desafíos que quedan por delante se encuentran la forma de mantener conexiones persistentes con un gran número de dispositivos en la red y la definición clara de las normas de la industria.

Los materiales reflectantes también podrían resolver parte del problema de la transmisión y aumentar la capacidad de detección de los enrutadores y de la red. «Añadiendo sustancias especiales a las paredes, suelos y techos de las habitaciones y utilizando diversos objetos, como lámparas y pinturas murales, para hacer rebotar las señales a través de la estructura, se puede llegar a tener cientos o miles de antenas y sensores potenciales», dice Ghasempour. Esta capacidad, junto con algoritmos mejorados diseñados para interpretar los datos y los ángulos reflectantes, podría producir una red de comunicaciones más rápida y mucho más inteligente de lo que es posible hoy en día. «Hay mucha investigación adicional que debe hacerse sobre los materiales reflectantes, pero son claramente una herramienta viable para el desarrollo de la tecnología terahertz», dice.

Otra área de investigación actual se centra en los chips y las antenas. En la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, el investigador Ranjan Singh está estudiando el uso de la fotónica topológica para abordar los problemas inherentes a la comunicación intrachip e interchip en frecuencias de terahercios. Esto incluye la creación de nuevos diseños y formas que se adapten mejor a las señales. Jornet, que ha estudiado la tecnología de terahercios durante más de una década, ha examinado todo, desde materiales y diseños de antenas hasta nuevos algoritmos y métodos de enrutamiento. «La mayor pregunta que queda es cómo producir un chip compacto, radio y protocolo de comunicaciones que pueda funcionar en el mundo real dentro de una plataforma integrada. En última instancia, las redes de terahercios son tanto un problema de física como de comunicaciones».

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Una nueva longitud de onda

Los productos comerciales que usan tecnología terahertz probablemente aparecerán en algún momento durante los próximos cinco a diez años, dice Knightly. Resolver el problema de la fuga de la guía de ondas fue un gran paso adelante, pero todavía hay varios desafíos clave que superar. Estos incluyen cuestiones que van desde cómo mantener conexiones persistentes cuando un gran número de dispositivos están conectados a las redes terahertz, hasta definir más claramente los estándares de la industria. También es necesario añadir la infraestructura exterior, incluidas las células más pequeñas y más densamente empaquetadas que requieren las redes de terahercios. No obstante, «las capacidades únicas de detección de terahercios y las redes de alta tasa de baja latencia impulsarán la comercialización», dice Knightly.

De hecho, Knightly y otros creen que las comunicaciones de terahercios serán en última instancia un cambio de juego. Proporcionará el ancho de banda ultra alto y, como resultado, la latencia súper baja necesaria para operar máquinas autónomas y otros sistemas utilizados en fábricas y ciudades inteligentes, a través de Wi-Fi y 6G. Añadirá sofisticadas características de detección que pueden remodelar la red, y podría transformar la realidad virtual de una tecnología de nicho en una herramienta corriente que complemente o reemplace los actuales sistemas de teleconferencia y presencia.

Dice Knightly, «Terahertz soporta un gran número de personas y entornos que abruman completamente la tecnología actual. Esto abre todo tipo de posibilidades».

Más lecturas

Ghasempour, Y., Shrestha, R., Charous, A., Knightly, E., y Mittleman, D.M.,
Descubrimiento de enlace de un solo disparo para redes inalámbricas de terahercios, Comunicaciones de la Naturaleza24 de abril de 2020, Vol. 11, 2017. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15761-4

Amarasinghe, Y., Mendis, R., y Mittleman, D.M.
Rastreo de objetos en tiempo real usando una guía de ondas THz con fugas, Optics Express2020, Vol. 28, Número 12, pp. 17997-18005. https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-28-12-17997

Xia, Q., Hossain, Z., Medley M. J., y Jornet, J.M.,
Un Protocolo de Sincronización de la Capa de Enlace y Control de Acceso al Medio para las Redes de Comunicación en Banda Terahertz, IEEE Explore10 de septiembre de 2019. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/8827939/authors#authors

Karl, N.J., McKinney, R.W., Monnai, Y., Mendis, R., y Mittleman, D.M.,
Multiplexación por división de frecuencia en el rango de terahercios usando una antena de ondas permeables, Fotónica de la naturaleza14 de septiembre de 2015, Vol. 9, Páginas 717-720. https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.176

Xia, Q., Hossain, Z., Medley M. J., y Jornet, J.M.,
Descubrimiento acelerado de vecinos en redes de comunicación direccionales de terahercios mejoradas con información de antena de lóbulo lateral, Transacciones del IEEE sobre tecnología vehicular, Agosto 2019, Vol. 68, Edición: 8. https://ieeexplore.ieee.org/document/8746670

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