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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.
In una camera rivestita di schiuma a Stanford, un trasmettitore e un ricevitore si trovano a temperatura ambiente, e i dati passano tra loro senza che il trasmettitore produca una sola onda radio. La squadra della professoressa associata Zerina Kapetanovic ha dimostrato che il rumore di fondo dell'elettronica può trasportare informazioni. Il risultato, pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences, descrive un metodo che i ricercatori chiamano comunicazione a rumore termico.
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.
Il rumore termico è il debole fruscio generato dalla vibrazione degli elettroni nei conduttori elettrici. I sistemi radio e cellulari normalmente lo combattono. La sua intensità dipende dalla temperatura, e gli strumenti sensibili possono rilevarlo: gli astronomi usano il rumore termico emesso da pianeti e stelle lontane per studiarli. Le precedenti ricerche di Kapetanovic sul monitoraggio agricolo l'hanno portata a chiedersi se un dispositivo potesse funzionare come i tag RFID delle barriere autostradali, rispondendo a una richiesta senza un segnale radio energivoro. Secondo lo studio, un trasmettitore radio convenzionale può consumare fino a 1.000 volte più energia per inviare informazioni rispetto a un trasmettitore che usa solo il rumore termico.
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.
Il meccanismo è semplice da descrivere. Il trasmettitore, dotato di un'antenna, alterna due stati elettrici, un circuito aperto e un cortocircuito, che rappresentano i bit uno e zero. In uno stato assorbe il rumore ambientale, nell'altro lo riflette. Il ricevitore amplifica il rumore che rimbalza sull'antenna e individua uno schema: il rumore riflesso appare più caldo o più freddo. L'amplificatore, che i ricercatori paragonano a un frigorifero a elettroni, rallenta gli elettroni e fa apparire il rumore più freddo. Joseph Kahn paragona il trasmettitore a un naufrago che segnala con uno specchietto: «È solo un riflettore». Il trasmettitore modula il segnale senza raffreddare nulla, ed è questo che all'inizio aveva reso l'esperimento così sorprendente.
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.
Per capire il collegamento, il team ha elaborato un modello di canale, l'equazione che definisce le variabili fondamentali del sistema, uno strumento usato in ogni forma di comunicazione wireless. Regolare l'impianto secondo quel modello ha migliorato la velocità di trasferimento dei dati di 100 volte. Lo studio non indica la velocità risultante in termini assoluti, e gli esperimenti si svolgono ancora all'interno della scatola isolata. I prossimi passi sono collegare più trasmettitori in una rete e assicurarsi che il segnale non si perda in ambienti più rumorosi.
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.
Per il momento, la domanda è dove potrebbe arrivare la comunicazione a basso consumo. I ricercatori vedono l'approccio adatto a situazioni in cui devono spostarsi piccole quantità di dati e l'energia è scarsa, come il monitoraggio ambientale, e a luoghi sensibili alle interferenze elettromagnetiche, come i dispositivi medici o gli osservatori astronomici. «Speriamo che questo sistema di comunicazione non convenzionale possa sbloccare la comunicazione wireless dove finora non è riuscita a estendersi», ha dichiarato Geneva Ecola. Lo studio non fornisce alcuna tempistica per applicazioni al di fuori del laboratorio, e il sistema non è stato ancora testato sul campo.