穴居鱼启发的光学设备：有利于更加有效地使用无线通信带宽

导读

近日，美国乔治亚大学模仿鱼类避干扰反应（JAR）系统开发出一种光学设备。它可以移动传输信号的频率，使之远离可能引起干扰的其他信号，从而可以避免干扰的发生，并且有利于更加有效地使用无线频谱资源。

背景

近年来，随着物联网与无线通信技术的不断发展，无线通信设备的数量日益增长，可是无线频谱资源却是有限的。

（图片来源：维基百科）

在有限的可用带宽上，无线通信设备传输的数据会相互争夺空间，使得网络拥堵的现象更加严重，带来了“频谱带宽危机”。频谱资源短缺已成为制约物联网发展的重要瓶颈。目前，应对这一危机的有效方法包括：科学规划频谱资源、向更高频段发展、提高频谱资源利用效率、采用逐步成熟的动态频谱分配方式。

创新

为了能够最终解决“频谱带宽危机”，今天为大家介绍一种创新方案。它是一种基于光线的设备，模仿了鱼类避干扰反应（JAR）系统，可以移动传输信号的频率，使之远离可能引起干扰的其他信号。

这项研究由美国乔治亚大学（University of Georgia）的科研人员领导开发，相关论文发表于光学会（OSA）杂志《光学快报（Optics Express）》上。

（图片来源：Mable P. Fok / 乔治亚大学）

技术

埃氏电鳗（Eigenmannia ）是一种穴居鱼类，它习惯生活在完全黑暗的环境中。为了在没有光线的条件下生存，这种鱼会激发出一个电场与其他的鱼通信，并感知周围环境。当两条鱼激发出的信号处于相似频率时，它们会相互干扰并产生一个加扰信号
。由于这些鱼拥有独特的神经算法，它们可以调整用于通信的电信号，避免与附近的鱼产生的信号相互干扰。

（图片来源：维基百科）

研究团队领头人 Mable P. Fok 表示：“我们认为人类可采用与埃氏电鳗一样的避干扰反应神经算法，但是速度和频率要快许多。采用我们的无线通信系统，将带来更智能和更动态的方案，取代现有复杂的防干扰协调处理，也就是为特殊的电话运营商或者用户，例如军队，保留整个带宽区间。”

研究显示，基于光线或者光学的JAR可用于防干扰。这种系统工作方式非常像埃氏电鳗的JAR，可检测到另外一个信号是否会引起干扰，然后通过一种聪明的方式，向更高或者更低的频率移动它的发射信号，使之远离干扰信号，而不是与发射信号频率相交，因为这样会放大干扰。

（图片来源：Mable P. Fok / 乔治亚大学）

避干扰系统是基于光线的，因此使用时只需轻微做调整。而且，它覆盖的频率范围很广：从无线电和GPS通信使用的兆赫兹频率，到电话和雷达使用的吉赫兹频率。相比于电子系统对于潜在干扰信号的自动化响应，基于光线的设备处理得更快。

这种新型光学JAR系统采用现成的光学元件，也称为半导体光放大器（SOA），模仿埃氏电鳗的JAR。SOA会分辨出自己的传输信号，并用它作为参考去检测潜在的干扰，再判断出那个信号的频率是偏高还是偏低。然后，它会让传输信号远离潜在的干扰信号。

Fok 表示：“为了创造出光学系统，我们必须理解埃氏电鳗的神经元是如何开展JAR的，然后将它从工程观点转化为光学设计。SOA的工作方式实际上非常像神经元，因此可用于执行所有的必要任务。”

为了测试他们设计的JAR，研究人员采用了处于电磁波频谱（该频谱可用于无线局域网例如蓝牙）微波区域的各种干扰信号。Fok 表示：“当干扰信号靠近时，我们会看到光学JAR系统移动信号的频率；如果干扰信号正远离时，这种移动将会停止。”

价值

这项新技术将帮助到几个领域中的信号干扰。例如，它可用于避免无意干扰，例如当飞机上的雷达或者军用车辆在同一区域运行时；它也可以用于医院等环境，在这些环境中，无线设备会与医疗仪器产生的无线传输信号相互干扰。

Fox 表示：“最终，通过让无线设备自动移动至某个不会与邻近的其他信号相互干扰的频率，该方案将有利于实现无线频谱的有效使用。这将降低使用无线频谱的成本，因为运营商不再必须为保留大量的带宽付出代价。相应地，它将有利于把移动通信技术更低成本地带到发展中国家，在那些国家中，移动技术将支持重要的服务，例如远程医学或者远程教育。”

未来

研究人员正在致力于改善系统，使之能响应附近更多的干扰信号。他们也想让系统变得便携，并且更方便没有技术背景的普通用户使用。

关键字

频率、带宽、无线通信、仿生、物联网

参考资料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/how_to_use_limited_bandwidth_more_efficiently_thi/

【2】R. Lin, J. Ge, T. P. T. Do, L. A. Perea, R. Toole, M. P. Fok, “Biomimetic photonics - jamming avoidance system in Eigenmannia,” Opt. Express, Volume 26, Issue 10, 13349-13360 (2018).

DOI: 10.1364/OE.26.013349.