6G关键技术突破：无线定位精度提升10倍，电磁波指纹实现万亿分之一秒连接
11月8日，美国莱斯大学研究团队及其合作机构开发出一种能显著提升未来无线通信系统连接速度与精度的新方法。相关研究成果已发表于《自然·通讯工程》。
随着无线通信技术迈入比5G更高的频率区间，未来的6G网络有望以更高速度传输更大数据量，从而支持如无线VR头显和实时感知系统等高数据需求的应用。
然而，这些高频信号在空气中衰减更快、穿透能力更弱，意味着它已经很难像传统Wi-Fi那样依赖漫射信号实现数据传输，所以发射端与接收端必须通过极窄的“视距直连”方式完成对齐。
莱斯大学科研人员通过设计特殊超表面材料，使其能够在万亿分之一秒内生成具有方向唯一性的电磁波“指纹”，让6G高频信号接收端实现0.1度级的角度定位精度，较现有技术提升10倍。这项突破将解决未来太赫兹频段通信中因信号衰减快、穿透性差导致连接中断的难题。
莱斯大学团队提出的新方法可使这种高精度对齐几乎瞬间完成。研究人员成功生成并控制一种可识别信号方向的无线电波模式，其角度识别精度可达0.1度，约为现有技术的十倍。这一突破使无线连接在信号发出后几乎即可建立，大幅降低通信延迟。
论文第一作者、莱斯大学博士生布拉克·比尔金（Burak Bilgin）表示：“我们在论文中提出的方法能够实现极快速的角度估计，且精度前所未有。这让无线链路能够以极低延迟快速建立或恢复，从而让无线设备更迅捷地相互定位，这是实现下一代高速无线通信的关键。”
比尔金将该原理比作一座灯塔，“它向外发出多种颜色的光，每种颜色在不同方向上的强度随机变化。”在这一比喻中，灯塔代表无线发射器，船只对应接收器，光线则象征无线电波。接收端通过观察各颜色光的组合与强度，便可确定自己相对灯塔的方位，因为这种随机分布在不同方向上具有唯一性。
为验证这一原理，研究团队采用由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室与桑迪亚国家实验室合作制造的一种超薄电子表面 —— 超表面（metasurface）。当宽频信号照摄其上时，会被散射成依赖信号方向与频率的独特图案。每个方向都会形成一种专属“电磁指纹”，接收端可将其实时比对预先记录的信号库，以快速确定信号来源；整个过程仅需数微妙（即万亿分之一秒）。
以往方法通常只能在时间或频率维度上改变信号，而无法同时控制二者。莱斯团队则利用超表面实现了在时间与频率双维度的可控变化。比尔金解释道：“延续灯塔的比喻，我们的系统首次实现了‘多色彩且随时间变化’的信号发射。由于随机色彩会在不同时间窗口重新洗牌，即使信号环境嘈杂（如‘有雾’），或带宽受限（灯塔无法发出太多颜色），接收方仍可通过累积观察获得更精确定位。”
研究人员指出，随着无线通信向太赫兹频段迈进，这种高精度定位将变得至关重要。实验需要处理大量数据，以分析随机信号的统计特性。布朗大学（Brown University）的合作者为电磁行为的理论建模和物理仿真提供了支持。
“这是一项关于‘可编程随机性’的研究，”比尔金说，“我们收集了大量数据来分析其平均特性。整个过程需要精心规划与调度，也经历了意外状况，例如实验中曾因停电而中断。但看到结果与预测吻合是非常值得的。”
莱斯大学电气与计算机工程系教授、计算机科学教授爱德华·奈特利（Edward Knightly）表示，这项研究展示了未来无线网络如何应对不断增长的数据需求。“信号的物理特性决定了网络的能力，”他说，“这项研究将挑战转化为机遇，证明经过设计的随机性可以让无线网络更快、更智能，也更可靠。”
据介绍，该研究获得思科、英特尔的支持，并由美国国家科学基金会（NSF）、能源部科学办公室（Department of Energy Office of Science）下属的洛斯阿拉莫斯与桑迪亚国家实验室资助。
附论文地址：
https://www.nature.com/articles/s44172-025-00502-6
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