É 2030 e você está se relacionando com colegas em um salão de banquetes lotado, onde ouve partes de centenas de conversas. Todos na sala têm um dispositivo conectado (ou dois, ou três, ou 10), que também estão se comunicando entre si e com suas estações base. E mesmo com todo esse barulho, pessoas e dispositivos estão se comunicando perfeitamente.
Quer se trate de pessoas ou máquinas apertando as mãos (ou batendo cotovelos), as redes são essenciais para a pesquisa de Lingjia Liu.
Liu, professor de ECE e diretor associado da Wireless@VT, está trabalhando nas tecnologias necessárias para a próxima iteração das comunicações sem fio – 6G. Essenciais para seu sucesso não são apenas as redes de comunicação, mas também sua rede de relacionamentos com parceiros da indústria, laboratórios de pesquisa do governo, ex-alunos e colegas.
O caminho para o 6G
Embora falemos sobre comunicações sem fio em termos de 4G, 5G e agora 6G, Liu explica que essas são etapas iterativas em vez de grandes saltos. Existem etapas intermediárias entre cada grande lançamento, observa ele. Entre 4G e 5G, por exemplo, vimos o LTE-Advanced Pro. Antes que chegue a hora do 6G, veremos o 5G-Advanced.
Ainda assim, pesquisadores como Liu, que contribuíram para a especificação 4G LTE-Advanced, estão olhando dois – ou mais – passos à frente.
De acordo com Liu, o 6G nos trará “taxas de dados mais altas, maior confiabilidade, maior densidade e maior inteligência”. O grande impulso, observa ele, é por conectividade onipresente, eficiente e inteligente – para todos os dispositivos em todos os lugares. Conectividade não significa mais apenas que nossos celulares precisam ficar conectados a uma torre de celular enquanto dirigimos pela rodovia – em 10 anos, estaremos lidando com celulares, carros autônomos, cidades inteligentes, CubeSats e os inúmeros dispositivos conectados que compõem a Internet das Coisas.
“O 5G está começando a abrir caminho para cidades inteligentes e veículos autônomos, mas o 6G capitalizará essas ideias iniciais”, diz Liu. “No final do dia, devemos ser capazes de conectar qualquer dispositivo, onde quer que estejamos, de maneira inteligente e eficiente.”
Potencial MIMO
Uma tecnologia habilitadora para conectar todos esses dispositivos é a tecnologia MIMO (massive multiple input multiple output), em que cada dispositivo incorpora um grande número de antenas. Ao contrário dos humanos, esses dispositivos podem comunicar mensagens diferentes para lugares diferentes ao mesmo tempo. De acordo com Liu, “é fácil em teoria, mas na realidade o hardware e a complexidade são difíceis de escalar para centenas ou milhares de comunicações simultâneas”.
Liu está lidando com os algoritmos por trás de dispositivos MIMO massivos. Semelhante a quando todas as pessoas conversam ao mesmo tempo em uma sala lotada, “quando você precisa de comunicações simultâneas na mesma frequência, esses sinais interferem uns nos outros”, explica ele. Liu e sua equipe estão desenvolvendo algoritmos para transmissores para minimizar essa interferência.
Outro desafio é escalar esses algoritmos para centenas ou milhares de usuários, quando você só pode se comunicar com uma fração desses usuários de uma só vez. “Você precisa determinar quais usuários escolher para maximizar a taxa de transferência e a justiça, o que pode apresentar objetivos conflitantes”, diz Liu. Tradicionalmente, esses problemas são resolvidos por modelagem, mas à medida que conectamos mais e mais dispositivos, a complexidade se torna grande demais para que os modelos tradicionais sejam suficientes.
Machine Learning se junta à equipe
É aqui que entra o aprendizado de máquina. O aprendizado de máquina requer muito treinamento, sobrecarga e poder computacional, explica Liu. Mas quando os modelos se tornam tão complexos e precisam se adaptar a um ambiente em rápida mudança, o aprendizado de máquina enfrenta o desafio.
Mesmo para sistemas 4G e 5G, existem dezenas de milhares de variáveis a serem consideradas. “Mesmo com a equação perfeita, existem milhares de parâmetros. É muito complicado. É aqui que o aprendizado de máquina pode oferecer benefícios.”
Liu também usa aprendizado de máquina para otimizar as comunicações de alta frequência – ondas milimétricas ou mesmo Terahertz. Para frequências tão altas, Liu explica que “os dispositivos estão longe de estar prontos. Quando você se move para essas altas frequências, há muitas imperfeições nos dispositivos. O aprendizado de máquina pode ajudá-lo a aprender e compensar essas imperfeições.”
Aprimoramentos de infraestrutura
Para lidar com todas essas comunicações, nossa infraestrutura de comunicações também se tornará muito mais diversificada. Já temos satélites de comunicação que podem fornecer internet de alta velocidade para áreas que não são bem servidas por torres de celular e outros métodos. À medida que vemos mais deles, bem como comunicações de balões e aeronaves de alta altitude, um desafio se torna como integrá-los.
“Uma característica fundamental da comunicação celular é a mobilidade – você não se sente interrompido quando se move de uma torre para outra. Isso é chamado de controle de mobilidade”, explica Liu. Mas quando você precisa se mover não apenas de torre de celular para torre de celular, mas de torre de celular para balão de alta altitude, para satélite, avião e de volta para uma torre de celular, fica mais complicado.
Além de se mover entre diferentes tipos de nós, existem desafios adicionais para esses novos nós: velocidades mais altas, propagação Doppler e fatores ambientais que podem interferir nas comunicações.
Nada está fora dos limites para encontrar uma solução, incluindo alterar a própria forma de onda. “A forma de onda atual pode não ser suficiente para que esses diferentes nós trabalhem juntos”, diz Liu. “Estamos analisando como a forma de onda fundamental pode ser redefinida.”
Além das teorias
Embora seus projetos possam estar se preparando para nossas futuras necessidades de comunicação, Liu está olhando além dos modelos teóricos. “Nosso trabalho não é apenas em teoria. Fazemos muitos protótipos e é uma das características mais importantes de nossa pesquisa”, diz ele. Quando você mostra que suas ideias estão funcionando em hardware, ele continua, “você não precisa argumentar por suas ideias ou suposições”. Simplesmente funciona.
Nos estágios iniciais de novas tecnologias, os pesquisadores tradicionalmente simplificam seus modelos com várias suposições, trabalhando na elaboração de estruturas teóricas e soluções. Esses desafios complexos de comunicação, mesmo no 6G ainda não realizado, não podem ser simplificados, observa Liu.
Essas tecnologias devem funcionar com toda a bagunça que é o mundo real. “Na indústria, você não pode fazer muitas suposições idealizadas, você tem que fazer as coisas funcionarem”, observa Liu. “Trabalhamos em estreita colaboração com nossos parceiros do setor para garantir que nossas ideias e inovações resolvam os desafios da realidade, não apenas abordem modelos teóricos.”
Rede Humana
Tal como acontece com tantos desafios, Liu observa que a parte mais difícil é definir o problema adequadamente. E para fazer isso, ele conta com seus contatos no setor. “A indústria conhece melhor os sistemas 5G e 6G. Para realmente causar impacto, você precisa colaborar com os líderes do setor e se tornar um parceiro confiável para identificar os problemas.”
O núcleo do sucesso do grupo de Liu são seus laços com o setor de telecomunicações, tanto de sua própria rede quanto de seus ex-alunos. “Quero que meus alunos voltem para o meu grupo”, diz Liu. “Quero que eles trabalhem conosco, ofereçam estágios e façam networking – com alunos atuais e antigos.”
E há muitos ex-alunos com quem o grupo se conectar. Mesmo durante a pandemia, a equipe de Liu formou seis Ph.D. alunos. “É muito gratificante ver como esses alunos estavam aquecidos no mercado de trabalho, mesmo durante a pandemia”, diz Liu.
Todas essas conexões são vitais, de acordo com Liu. “Se você conhece os problemas e tem as conexões com a indústria, sabe o que está por vir e sabe quais desafios resolver.”
Quando Liu e sua equipe se encontram naquela sala lotada, eles fazem parte de todas essas conversas, resolvendo os desafios que nos levarão ao próximo nível de conectividade.
A tecnologia sem fio 6G pode usar o corpo humano como receptor
Os pesquisadores usaram o corpo para coletar energia residual para alimentar dispositivos vestíveis.
Pesquisadores da Universidade de Massachusetts e da Universidade de Tecnologia de Delft desenvolveram um novo método de coleta de energia residual da comunicação de luz visível (VLC) usando o corpo humano como antena. Enquanto o 5G ainda está sendo implantado em cidades e áreas rurais ao redor do mundo, os engenheiros já estão trabalhando em redes 6G. Uma das tecnologias promissoras para levar o 6G além da taxa de transferência do 5G é o VLC, que usa fontes de luz para transmitir dados.
Tal como acontece com outras tecnologias de comunicação, o VLC produz energia residual ou, em vez disso, sangra energia. Essa energia residual pode ser coletada e usada para alimentar dispositivos vestíveis ou eletrônicos ainda maiores.
Considerando que a infraestrutura VLC já está em toda parte na forma de LEDs, o potencial de usá-los para transmitir dados pode ser uma realidade. Isso significa que qualquer coisa com uma câmera, como smartphones, laptops e tablets, pode ser empregada como receptor. Para esse fim, os LEDs emitem sinais de RF de canal lateral, o que resulta em vazamento significativo de energia, mas os pesquisadores desenvolveram um método para coletar essa energia de RF para que ela possa ser bem utilizada. Nesse caso, eles projetaram uma antena utilizando fio de cobre enrolado para coletar o RF vazado.
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Depois de experimentar bobinas e espessuras de fio de cobre, a equipe descobriu que a eficiência da antena mudava dependendo do que ela tocava. Eles então testaram a bobina tocando em certas superfícies, incluindo plástico, madeira, papelão e aço. Quando entrou em contato com o corpo humano, foi então que eles descobriram que era o melhor meio para aumentar a capacidade da bobina de capturar energia de RF vazada, 10 vezes mais do que apenas a bobina sozinha.
Após algumas experimentações contínuas, os engenheiros criaram o Bracelet +, que se conecta ao antebraço, coleta a energia residual das comunicações VLC e pode coletar energia suficiente para suportar sensores e sistemas simples de monitoramento de saúde.
A tecnologia sem fio 6G de última geração pode usar corpos humanos para energia
O mundo ainda está se adaptando ao 5G, mas isso não impediu os pesquisadores de se concentrarem na próxima iteração, a tecnologia sem fio 6G. Quando atinge, o 6G pode ser até 9.000 vezes mais rápido que o 5G – rápido o suficiente para nos comunicarmos via holograma. No entanto, para alimentar essa velocidade, os pesquisadores estão olhando para uma fonte de energia não convencional: o corpo humano.
Esse desenvolvimento ocorre enquanto os pesquisadores se esforçam para encontrar uma maneira de incorporar a Comunicação de Luz Visível (VLC) nas telecomunicações 6G. Mas há um problema: o VLC é extremamente um desperdício. Na verdade, a quantidade de energia que o VLC desperdiça faz com que muitos relutem em confiar nele. Isso pode mudar, porém, com o desenvolvimento do Bracelet+, uma antena pequena, mas poderosa, que poderia coletar o RF VLC vazado.
Mas, primeiro, eles tiveram que encontrar uma boa maneira de maximizar a coleta dessa energia para que ela pudesse ser reaproveitada na tecnologia sem fio 6G. Depois de experimentar uma parede, um telefone e até outros dispositivos como um tablet ou laptop, os pesquisadores decidiram anexar o Bracelet+ ao corpo humano e ver o que acontecia.
Surpreendentemente, eles descobriram que o corpo humano é o meio mais eficiente para amplificar a capacidade do fio de coletar energia de RF vazada. Na verdade, foi capaz de amplificá-lo até dez vezes mais do que a bobina sozinha. O design final – que se tornou Bracelet + – foi projetado para ser usado na parte superior do antebraço. É uma bobina simples de fio de cobre que também pode ser adaptada para ser um anel, cinto, tornozeleira ou colar.
Além disso, os pesquisadores observam em seu artigo, que na verdade ganhou o prestigioso prêmio de melhor artigo da Conferência sobre Sistemas de Sensores em Rede Incorporados da Association for Computing Machinery, que o design é extremamente barato. Com um design tão facilmente escalável, o futuro da tecnologia sem fio 6G pode estar mais próximo do que nunca, pelo menos em termos de descobrir como coletar toda essa energia vazada.
Josh Hawkins escreve há mais de uma década, cobrindo ciência, jogos e cultura tecnológica. Ele também é um revisor de produtos de primeira linha com experiência em comparações de produtos, fones de ouvido e dispositivos de jogos amplamente pesquisados.
Sempre que ele não está ocupado escrevendo sobre tecnologia ou gadgets, ele geralmente pode ser encontrado desfrutando de um novo mundo em um videogame ou mexendo em algo em seu computador.