Osobný radar a dynamické mapy čoskoro vo vašom smartfóne

Konzorcium ATTRACT financované EÚ podporuje ambiciózne komunikačné technológie v počiatočnej fáze.

Predstavte si na svojom smartfóne radarovú aplikáciu, ktorá by mohla rýchlo vygenerovať  dynamickú mapu akejkoľvek budovy v ktorej sa nachádzate  a pohyb ľudí okolo vás.

Momentálne takúto aplikáciu vyvíjajú výskumníci na univerzite v talianskej Bologni a French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA). Podľa Davide Dadari, docenta elektrotechniky na univerzite v talianskej Bologni,  6G – nová generácia mobilných technológií, to môže uviesť do reality v budúcej dekáde.

Tento projekt je len jednou zo siedmich priekopníckych komunikačných technológií podporovaných prostredníctvom konzorcia ATTRACT, financovaného vo výške 20 miliónov EUR, koordinovaného CERN, ktoré pomáha technologickým projektom v počiatočnom štádiu overovania koncepcie. ATTRACT poskytol granty vo výške 100 000 EUR viac ako 170 projektom snímania a zobrazovania vo viac ako 30 kategóriách, z ktorých sú komunikačné technológie jednou z nich.

Ako uviedol docent Dadari, hlavný výskumník v oblasti osobných radarov pre rádiové zobrazovanie a infraštruktúru (PRIMELOC): „K dispozícii máme Google Maps. Výzvou je dosiahnuť to, čo v súčasnosti robíme, s vonkajším scenárom.“

PRIMELOC pracuje s experimentálnou technológiou, aby ukázal, čo by mohlo byť v budúcnosti možné, ak budú antény mobilných telefónov také malé, že stovky môžu byť zabalené do jedného zariadenia. Mobilní operátori teraz zavádzajú 5G infraštruktúru, ktorá bude poskytovať rýchlejší mobilný internet, ako sú dnes používané služby 4G. Dadari však tvrdí, že pravdepodobne budeme musieť počkať do éry 6 G – čo príde najbližšie predtým, ako smartfóny prinesú dostatočne sofistikované antény, aby sa dali použiť ako radar.

Osvetlenie, ktoré dokáže zistiť pády

V podobnom duchu ako ATTRACT je tiež financovaný VLADIMIR (visible light communication for indoor monitoring – komunikácia vo viditeľnom svetle pre vnútorné monitorovanie), projekt zameraný na skúmanie bezpečnostných aplikácií pre komunikáciu vo viditeľnom svetle (Visible Light Communication – VLC). VLC je spôsob prenosu informácií prostredníctvom osvetlenia miestnosti pomocou LED žiaroviek, ktoré pulzujú takou rýchlosťou, akú si ľudia nevšimnú  – čo okrem iného robí možnú náhradu WiFi. VLADIMIR sa však pozerá na to, ako by sa táto technológia mohla použiť na zistenie, kedy niekto spadne z dosahu bez potreby rušivých kamier, meraním posunov v odrazenom svetle, keď sa ľudia a objekty pohybujú po miestnosti.

Ako uviedol Alexis Dowhuszko, vedecký pracovník Centre Tecnològic de Telecomunicacions de Catalunya (CTTC): „Ak človek stojí medzi LED a fotodetektorom, vytvorí tieň. Tento tieň bude mať špecifický druh popisu, ktorý bude závisieť od objektu, ktorý vytvára tento tieň.“ Cieľom je vyvinúť dostatočne prepracovaný systém na identifikáciu objektov a ich pohybov. CTTC prevádzkuje VLADIMIR v spolupráci s univerzitou v Aalto vo Fínsku.

Autá, ktoré môžu vidieť cez hmlu

Ďalší projekt, ktorý podporuje ATTRACT, sa zameriava na vývoj radaru, ktorý môže pomôcť autonómnym vozidlám (self-driving cars) „vidieť“ v hustej hmle. Autonómne vozidlá odhalia objekty pomocou kamier a softvéru na rozpoznávanie obrázkov, ktoré podobne ako ľudské videnie sú zhoršené, keď je slabá viditeľnosť. To nie je ale problém pre radar, ale presné sledovanie smeru rýchlo sa pohybujúcich objektov pomocou radaru v súčasnosti vyžadujúce drahé antény vojenskej triedy, ktoré nie sú vhodné pre civilné vozidlá.

Preto projekt SINITRA navrhuje pokročilé antény na sledovanie smerovania, ktoré sa dajú lacno integrovať do dosiek s plošnými spojmi (printed circuit boards – PCBs), SINATRA je spoločným úsilím spolupráce medzi univerzitou v talianskej Siene a  ECM, talianskou spoločnosťou, ktorá vyrába elektrické zariadenie pre železnice. Projekt sa tiež zameriava na spôsoby použitia tejto technológie na odhaľovanie ľudí a prekážok na úrovňových križovatkách.

Antény sa dajú miniaturizovať, pretože moderná elektronika umožňuje vyššie frekvencie, čo znamená kratšie vlnové dĺžky a menšie antény. Znamená to tiež kratší vlnový dosah, ale v týchto dvoch prípadoch použitia to nie je problém.

Problém však spočíva v tom, že antény PCB v dnešných autách nie sú veľmi dobré v smere sledovania. Ako vysvetlil Matteo Albani, docent elektromagnetického inžinierstva na univerzite v Siene: „Neposkytujú potrebné uhlové rozlíšenie. Je to ako pozerať sa cez zakalené sklo. Jedinou súčasnou alternatívou sú kovové stĺpy, ktoré sú zvyčajne objemné, ťažké a drahé, ale veľmi dobre fungujúce.“

Zvýšenie odolnosti pamäte počítača

Program ATTRACT tiež podporuje ULTRARAM, čo je snaha vyvinúť nový druh pamäte s priamym prístupom (Random Access Memory  – RAM) pre použitie v IoT (Internet of Things – internet vecí), kde sú rôzne objekty vybavené pripojenými senzormi a zariadeniami. RAM je rýchla, dočasná pamäť, ktorú počítače používajú na ukladanie iba toho čo potrebujú okamžite. Ak dôjde k prerušeniu napájania zariadenia, RAM sa vymaže.

Mnoho vonkajších zariadení IoT však bude mať nespoľahlivé zdroje energie, napr. malé solárne panely. Ak v prípade nestabilnej pamäte dôjde k výpadku napájania v polovici operácie, zariadenie sa musí znova spustiť po obnovení napájania. Ak ide o senzor, ktorý zhromažďuje a spracováva informácie, údaje sa môžu úplne stratiť.

ULTRARAM, spoločné úsilie medzi Lancaster University vo Veľkej Británii a elektronickou firmou IQE, preto vyvíja energeticky nenáročnú, nezávislú RAM, takže zariadenia IoT si môžu vždy vybrať miesto kde skončili, ak dôjde k neočakávanej strate energie.

Vesmírne lasery pre rýchlejší internet

Fotonika je tiež dôležitou oblasťou pre ATTRACT, ktorý financuje najmenej tri rôzne projekty komunikačných technológií experimentujúce s lasermi a optickými vláknami.

Projekt SiPhoSpace vyvíja kremíkové fotonické obvody, ktoré sa majú používať v malých satelitoch na nízkej obežnej dráhe, ako je napr. súhvezdie Starlink, ktoré vyrába spoločnosť SpaceX a ktoré môže jedného dňa poskytnúť vysokorýchlostné bezdrôtové pripojenie na internet v odľahlých oblastiach. SiPhoSpace vedie CERN v spolupráci s talianskym Národným ústavom jadrovej fyziky, Technologickým inštitútom v Karlsruhe a univerzitou v Bristole vo Veľkej Británii.

Cieľom kremíkovej fotoniky je urobiť pre mikročipy to, čo optické vlákna urobili pre káble: nahradiť elektrické signály svetelnými impulzmi, ktoré prenášajú údaje rýchlejšie, spotrebúvajú menej energie a odolávajú elektromagnetickému rušeniu. Pre fotonické čipy je však ešte stále priskoro, pretože technický kremík na vyžarovanie svetla je komplikovaný, zatiaľ čo alternatívne materiály sú buď príliš drahé alebo jednoducho nie sú praktické. Napr. lasery, ktoré vyžarujú svetlo do káblov z optických vlákien, sa často vyrábajú s relatívne zriedkavými prvkami, ako napr. indium, a samotné káble sú zo skla.

Preto je cieľom SiPhoSpace integrácia fotonických obvodov do kremíka na použitie v satelitoch s nízkou zemskou obežnou dráhou, pretože ich vlastnosti vďaka vysokej rýchlosti, nízkej spotrebe a rušeniu sú ideálne pre malé satelity určené na zabezpečenie rýchleho prístupu na internet.

Využitie studených triesok

Cieľom projektu LIGHTNING podporovaného technológiou ATTRACT je medzičasom vyvinúť spôsob pripojenia super rýchlych čipov s rýchlym tokom kvantového toku (Rapid Single Flux Quantum – RSFQ) k optickým komunikačným sieťam. Technológia RSFQ umožňuje rýchle spracovanie údajov s veľmi nízkou spotrebou energie, ale čipy fungujú iba pri 4 stupňoch Kelvinovej teplotnej stupnice alebo mínus 269 stupňov Celzia, čo znamená, že ich nemožno jednoducho zapojiť do bežnej siete.

Výskumníci vyvíjajú fotodiódu, ktorá môže pracovať pri tejto teplote a konvertovať elektrické signály z RSFQ na svetlo, čo umožňuje prenos do siete bežiacej pri bežných teplotách. LIGHTNING je partnerstvo medzi University of Tampere, University of South-East Norway a VTT Technical Research Centre of Finland.

Tretím projektom spoločnosti ATTRACT v oblasti fotoniky je Gisiphod (prispôsobený z jediného GHz fotónového detektora), ktorého cieľom je demonštrovať, ako by sa dali optické siete zefektívniť zvýšením rýchlosti, akou je možné počítať svetelné impulzy len jedného fotónu. Komunikačné siete s optickými vláknami používajú fotónové detektory na počítanie svetelných impulzov rôznych dĺžok a vzory týchto impulzov sa prenášajú do dát. Zrýchlenie impulzov znamená, že v kratšom čase je možné preniesť viac údajov.

Existuje však kompromis so spotrebou energie: na presné počítanie najkratších impulzov pri najvyšších rýchlostiach potrebujú dnešné detektory v každom impulze najmenej 1 000 fotónov, čo vyžaduje veľa energie. Špičkové detektory dokážu počítať iba jeden fotón súčasne, ale nie pri rýchlostiach vhodných pre dnešné telekomunikácie.

S Gisiphodom navrhujú vedci z holandskej firmy Single Quantum a švédskeho KTH Royal Institute of  Technology detektor, ktorý dokáže presne spočítať impulzy jedného fotónu v rámci chyby v pikosekunde (bilióntiny sekundy) rýchlosťou 1GHz, alebo 1 miliardy impulzov za sekundu.

Viac informácií o projektoch ATTRACT vyvíjajúcich komunikačné technológie a inovatívne riešenia pre spoločnosť.

Zdroj: https://sciencebusiness.net, zverejnené: 2.6.2020, autor: rpa