穴居魚啟發的光學設備：有利於更加有效地使用無線通信帶寬！

導讀

近日，美國喬治亞大學模仿魚類避干擾反應（JAR）系統開發出一種光學設備。它可以移動傳輸信號的頻率，使之遠離可能引起干擾的其他信號，從而可以避免干擾的發生，並且有利於更加有效地使用無線頻譜資源。

背景

近年來，隨著物聯網與無線通信技術的不斷發展，無線通信設備的數量日益增長，可是無線頻譜資源卻是有限的。

（圖片來源：維基百科）

在有限的可用帶寬上，無線通信設備傳輸的數據會相互爭奪空間，使得網路擁堵的現象更加嚴重，帶來了「頻譜帶寬危機」。頻譜資源短缺已成為制約物聯網發展的重要瓶頸。目前，應對這一危機的有效方法包括：科學規劃頻譜資源、向更高頻段發展、提高頻譜資源利用效率、採用逐步成熟的動態頻譜分配方式。

創新

為了能夠最終解決「頻譜帶寬危機」，今天為大家介紹一種創新方案。它是一種基於光線的設備，模仿了魚類避干擾反應（JAR）系統，可以移動傳輸信號的頻率，使之遠離可能引起干擾的其他信號。

這項研究由美國喬治亞大學（University of Georgia）的科研人員領導開發，相關論文發表於光學會（OSA）雜誌《光學快報（Optics Express）》上。

（圖片來源：Mable P. Fok / 喬治亞大學）

技術

埃氏電鰻（Eigenmannia ）是一種穴居魚類，它習慣生活在完全黑暗的環境中。為了在沒有光線的條件下生存，這種魚會激發出一個電場與其他的魚通信，並感知周圍環境。當兩條魚激發出的信號處於相似頻率時，它們會相互干擾併產生一個加擾信號
。由於這些魚擁有獨特的神經演算法，它們可以調整用於通信的電信號，避免與附近的魚產生的信號相互干擾。

（圖片來源：維基百科）

研究團隊領頭人 Mable P. Fok 表示：「我們認為人類可採用與埃氏電鰻一樣的避干擾反應神經演算法，但是速度和頻率要快許多。採用我們的無線通信系統，將帶來更智能和更動態的方案，取代現有複雜的防干擾協調處理，也就是為特殊的電話運營商或者用戶，例如軍隊，保留整個帶寬區間。」

研究顯示，基於光線或者光學的JAR可用於防干擾。這種系統工作方式非常像埃氏電鰻的JAR，可檢測到另外一個信號是否會引起干擾，然後通過一種聰明的方式，向更高或者更低的頻率移動它的發射信號，使之遠離干擾信號，而不是與發射信號頻率相交，因為這樣會放大幹擾。

（圖片來源：Mable P. Fok / 喬治亞大學）

避干擾系統是基於光線的，因此使用時只需輕微做調整。而且，它覆蓋的頻率範圍很廣：從無線電和GPS通信使用的兆赫茲頻率，到電話和雷達使用的吉赫茲頻率。相比於電子系統對於潛在干擾信號的自動化響應，基於光線的設備處理得更快。

這種新型光學JAR系統採用現成的光學元件，也稱為半導體光放大器（SOA），模仿埃氏電鰻的JAR。SOA會分辨出自己的傳輸信號，並用它作為參考去檢測潛在的干擾，再判斷出那個信號的頻率是偏高還是偏低。然後，它會讓傳輸信號遠離潛在的干擾信號。

Fok 表示：「為了創造出光學系統，我們必須理解埃氏電鰻的神經元是如何開展JAR的，然後將它從工程觀點轉化為光學設計。SOA的工作方式實際上非常像神經元，因此可用於執行所有的必要任務。」

為了測試他們設計的JAR，研究人員採用了處於電磁波頻譜（該頻譜可用於無線區域網例如藍牙）微波區域的各種干擾信號。Fok 表示：「當干擾信號靠近時，我們會看到光學JAR系統移動信號的頻率；如果幹擾信號正遠離時，這種移動將會停止。」

價值

這項新技術將幫助到幾個領域中的信號干擾。例如，它可用於避免無意干擾，例如當飛機上的雷達或者軍用車輛在同一區域運行時；它也可以用於醫院等環境，在這些環境中，無線設備會與醫療儀器產生的無線傳輸信號相互干擾。

Fox 表示：「最終，通過讓無線設備自動移動至某個不會與鄰近的其他信號相互干擾的頻率，該方案將有利於實現無線頻譜的有效使用。這將降低使用無線頻譜的成本，因為運營商不再必須為保留大量的帶寬付出代價。相應地，它將有利於把移動通信技術更低成本地帶到發展中國家，在那些國家中，移動技術將支持重要的服務，例如遠程醫學或者遠程教育。」

未來

研究人員正在致力於改善系統，使之能響應附近更多的干擾信號。他們也想讓系統變得便攜，並且更方便沒有技術背景的普通用戶使用。

關鍵字

頻率、帶寬、無線通信、仿生、物聯網

參考資料

【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.

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