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In a foam-lined chamber at Stanford, a transmitter and a receiver sit at room temperature, and data passes between them without the transmitter producing a single radio wave. Assistant professor Zerina Kapetanovic's team has shown that the background static of electronics can carry information. The result, published in the Proceedings of the National Academy of Sciences, describes a method the researchers call thermal noise communication.
En una cámara recubierta de espuma en Stanford, un transmisor y un receptor están a temperatura ambiente, y los datos pasan entre ellos sin que el transmisor produzca una sola onda de radio. El equipo de la profesora adjunta Zerina Kapetanovic ha demostrado que el ruido de fondo de los componentes electrónicos puede transportar información. El resultado, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, describe un método que los investigadores llaman comunicación por ruido térmico.
Thermal noise is the faint static created by the vibration of electrons in electrical conductors. Radio and cellular systems normally struggle against it. Its strength depends on temperature, and sensitive instruments can pick it up: astronomers use the thermal noise emitted by distant planets and stars to study them. Kapetanovic's earlier research on agricultural sensing led her to wonder whether a device could work like the RFID window tags used for highway tolls, answering a query without an energy-intensive radio signal. A conventional radio transmitter can use up to 1,000 times as much energy to send information as a transmitter using only thermal noise, according to the study.
El ruido térmico es el leve zumbido que generan las vibraciones de los electrones en los conductores eléctricos. Los sistemas de radio y de telefonía móvil suelen luchar contra él. Su intensidad depende de la temperatura, y los instrumentos sensibles pueden captarlo: los astrónomos utilizan el ruido térmico emitido por planetas y estrellas lejanos para estudiarlos. La investigación previa de Kapetanovic sobre sensores agrícolas la llevó a preguntarse si un dispositivo podría funcionar como las etiquetas RFID de ventanilla que se usan en los peajes de las autopistas, respondiendo a una consulta sin una señal de radio que consume mucha energía. Según el estudio, un transmisor de radio convencional puede utilizar hasta 1.000 veces más energía para enviar información que un transmisor que solo emplea ruido térmico.
The mechanism is simple to describe. The transmitter, fitted with an antenna, alternates between two electrical states, an open circuit and a short circuit, which stand for the bits one and zero. In one state it absorbs the ambient noise, in the other it reflects it. The receiver amplifies the noise bouncing off the antenna and sees a pattern: the reflected noise looks hotter or colder. The amplifier, which the researchers compare to an electron refrigerator, slows the electrons down and makes the noise appear colder. Joseph Kahn compares the transmitter to a castaway signalling with a hand mirror: "It's just a reflector." It modulates the signal without cooling anything, which is what made the experiment puzzling at first.
El mecanismo es sencillo de describir. El transmisor, equipado con una antena, alterna entre dos estados eléctricos, un circuito abierto y un cortocircuito, que representan los bits uno y cero. En un estado absorbe el ruido ambiental; en el otro, lo refleja. El receptor amplifica el ruido que rebota en la antena y detecta un patrón: el ruido reflejado parece más caliente o más frío. El amplificador, que los investigadores comparan con un refrigerador de electrones, ralentiza los electrones y hace que el ruido parezca más frío. Joseph Kahn compara el transmisor con un náufrago que hace señales con un espejo de mano: «Es solo un reflector». Modula la señal sin enfriar nada, y eso es lo que al principio desconcertó en el experimento.
To understand the link, the team derived a channel model, the equation that defines the fundamental variables of the system, a tool used in all forms of wireless communication. Adjusting the setup according to that model improved the data transfer rate by 100 times. The study does not give the resulting speed in absolute terms, and the experiments still take place inside the insulated box. The next steps are linking several transmitters into a network and making sure the signal is not lost in noisier environments.
Para entender el enlace, el equipo elaboró un modelo de canal, la ecuación que define las variables fundamentales del sistema, una herramienta utilizada en todas las formas de comunicación inalámbrica. Ajustar la configuración según ese modelo mejoró la tasa de transferencia de datos 100 veces. El estudio no da la velocidad resultante en términos absolutos, y los experimentos siguen realizándose dentro de la caja aislada. Los próximos pasos son conectar varios transmisores en una red y asegurarse de que la señal no se pierda en entornos más ruidosos.
What changes for the moment is a question of where low-power communication could go. The researchers see the approach as suited to situations where small amounts of data must move and power is scarce, such as environmental sensing, and to places sensitive to electromagnetic interference, like medical devices or astronomy observatories. "We're hoping that this unconventional communication system can unlock wireless communication where it hasn't been able to go before," said Geneva Ecola. The study gives no timeline for applications outside the laboratory, and the system has not been tested in the field.
Lo que cambia por ahora es la cuestión de hasta dónde puede llegar la comunicación de bajo consumo. Los investigadores consideran que el enfoque es adecuado para situaciones en las que deben transmitirse pequeñas cantidades de datos y la energía es escasa, como la monitorización ambiental, y para lugares sensibles a las interferencias electromagnéticas, como los dispositivos médicos o los observatorios astronómicos. «Esperamos que este sistema de comunicación poco convencional pueda abrir la comunicación inalámbrica a lugares a los que hasta ahora no ha podido llegar», afirmó Geneva Ecola. El estudio no fija un calendario para aplicaciones fuera del laboratorio, y el sistema todavía no se ha probado en el terreno.