HF-Technologien für die stromsparende drahtlose Kommunikation: Die „Ambient-Backscatter“-Technik

Ich mag Familientreffen, obwohl dieser mit insgesamt vierzig Leuten in meiner Großfamilie ein bisschen turbulent werden können. Egal ob wir Karten spielen, schwimmen gehen oder beim Abendessen zusammensitzen – es gibt immer jemanden, der Witze und Geschichten erzählt. Eigentlich gibt es auch immer jemanden, der gerade spricht, sodass man manchmal sogar laut werden muss, um gehört zu werden. Die Kommunikation im elektromagnetischen Spektrum kann auch so ihre Schwierigkeiten haben. Die Geräte, die Sie besitzen, müssen oft ihre Signale ins Leere hinausschicken, um Daten übertragen zu können. Diese Übertragung erfordert Elektronik und Energie, für die in einigen Geräten nicht genügend Platz und Batteriekapazität zur Verfügung steht. Eine Forschergruppe der Universität Washington versucht diese Probleme mithilfe der Kommunikation über die „Ambient-Backscatter“-Technik zu lösen. Anhand dieses Verfahrens könnten der Schaltungsaufwand und der Energiebedarf der Datenübertragung um mehrere Größenordnungen reduziert werden. Wenn die „Ambient-Backscatter“-Technik tatsächlich für drahtlose Netzwerke genutzt werden kann, dann wäre sie insbesondere für große IoT-Sensornetzwerke äußerst nützlich.

Die „Ambient-Backscatter“-Technik

Als Ingenieure wissen wir, dass die Welt um uns herum voller elektromagnetischer Signale ist. Viele dieser Signale werden von Geräten erzeugt, die wir entwickeln. Diese Signalübertragungen lassen sich messen und sogar von anderen Geräten nutzen. Sie können aber auch auf nicht beabsichtigte Empfänger störend einwirken. Aus diesem Grund hält ist die FCC (Federal Communications Commission, dt.: Zulassungsbehörde für Kommunikationsgeräte) auch so penibel, wenn es um das Prüfen der Störaussendungen  geht. Dennoch haben diese Forscher einen Weg gefunden, sich die in der Luft befindlichen Signale zunutze zu machen und sie für die Informationsübertragung zwischen Geräten einzusetzen.

In letzter Zeit wurde viel über den Ersatz von Batterien in IoT-Sensoren und -Geräten durch Energy-Harvesting-Systeme gesprochen. Oft  wurde sogar gefordert, dass energiereiche HF-Signale wie bei Fernsehsendern für den Betrieb von Geräten genutzt werden können. Diese Idee ist aus mehreren Gründen nicht gänzlich geeignet. Einer der Hauptgründe ist, dass einfach nicht ausreichend Energie zur Verfügung steht. Sie bräuchten mindestens einen Mikroprozessor, einen Sensor und eine Funk-Schaltung sowie eventuell sogar einen Speicher. Stromsparende Prozessoren, Sensoren und Speicher sind zwar auf dem Markt verfügbar, aber die drahtlosen Verbindungen haben ihren Preis. Das wird so lange der Fall sein, bis die „Ambient-Backscatter“-Technik ins Spiel kommt.

Die „Ambient-Backscatter“-Technik kann Signale mit deutlich weniger Energie übertragen als herkömmliche Funkmodule. Dabei werden die HF-Signale, die sich bereits in der Luft befinden, moduliert und für die Datenübertragung genutzt. Anstatt ein Signal zu empfangen und anschließend eine Antwort zu senden, könnte ein PCB mit „Ambient-Backscatter“-Technik ein in der Nähe befindliches Signal modulieren und weitersenden, ohne dass ein neues Signal erzeugt werden muss. Somit wird der problematische Einsatz von Funkchips mit hohem Stromverbrauch vermieden und der Betrieb von IoT-Geräten mit der gewonnenen HF-Energie ermöglicht.

^{Die „Ambient-Backscatter“-Technik funktioniert ähnlich wie bei einem RFID-Tag, jedoch ohne einen speziellen Sender.}

Machbarkeitsnachweis

Die Forschergruppe der Universität Washington hat nicht nur theoretische Überlegungen zu diesem Verfahren angestellt, sondern es auch in die Tat umgesetzt. Hierzu entwickelte sie ein relativ einfaches PCB, das sowohl Energie ernten als auch Signale empfangen und übertragen kann.

Ein entscheidender Aspekt beim Einsatz der „Ambient-Backscatter“-Technik ist die Wahl der HF-Signale, die genutzt werden sollen. Sie brauchen ein Signal, das einerseits stark genug zum Ernten von Energie ist und andererseits konstant ist. Daher haben die Forscher entschieden, sich Fernsehsender zunutze zu machen. Diese sind immer betriebsbereit, haben eine große Reichweite und arbeiten mit einem sehr starken Signal. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass bei Fernsehsendern und -empfängern der Mehrwegempfang berücksichtigt wird. Bei der Rückstreuung eines Signals verzerren Sie es gezielt. Offensichtlich ist dies aus technischer Sicht nicht unzulässig, weil diese Geräte vorhandene Signale lediglich modulieren und reflektieren, aber nicht wirklich „senden“. Mal davon abgesehen, ob es nun unzulässig ist oder nicht; Sie sollten dies nicht mit einem Signal testen, das für die Interferenz nicht geeignet ist.

Lassen Sie uns jetzt das Gerät der Forscher genauer anschauen. Es verwendet eine einzige Antenne für Ernten von Energie sowie das Senden und den Empfang von Signalen – ein wirklich effizientes Design. Beim Senden moduliert die Platine die Impedanz der Antenne, um die Fernsehsignale zu verzerren und zu reflektieren. Die Forschergruppe wollte ohne den Einsatz stromhungriger Bausteine wie Analog-Digital-Umsetzer oder Oszillatoren Signale empfangen. Stattdessen benutzte sie einen herkömmlichen Digitalempfänger und stellten theoretische Grundlagen zu einem analogen Empfänger mit äußerst niedrigem Stromverbrauch auf. Durch die Überprüfung der Datenraten können sie ihre reflektierten Signale von den ursprünglichen Übertragungen unterscheiden. Da ihre modulierten Signale deutlich langsamer übertragen werden als die Signale der Fernsehsender, können sie sich auf ihr Signal einschießen und es dekodieren. Mit dem Einsatz dieser Bauteile konnten die Forscher Daten zwischen Geräten übertragen, die die „Ambient-Backscatter“-Technik nutzen. Das bedeutet, dass mithilfe dieser Technik bei äußerst geringem Stromverbrauch eine Kommunikation von Gerät zu Gerät realisierbar ist.

^{Jetzt können Sie Ihrem Gerät helfen, seine Aufgaben zu erledigen – schlicht und einfach, indem Sie fernsehen.}

Anwendungen

Für diese Technik gibt es mehr Anwendungsfälle, als ich Familienmitglieder habe. Zu den interessantesten Anwendungen zählen Wearables, das Internet der Dinge und sogar die Zahlungsabwicklung.

• Wearables – Wenn Sie momentan Ihre Schrittzahl mit jemandem vergleichen möchten, müssen diese Zahlen über Ihr Gerät auf einen Server hochgeladen und anschließend über Ihr Gerät wieder heruntergeladen werden. Mit dieser Technik könnten Ihre Wearables direkt miteinander kommunizieren, was wiederum einen organischeren Ansatz in der Datenübertragung ermöglichen würde.

• Das IoT – Das Internet der Dinge wird aus riesigen Netzen energiesparender Sensoren bestehen, die miteinander kommunizieren müssen. Durch die Nutzung eines solchen Systems könnten diese Sensoren viel weniger Energie verbrauchen, was wiederum in einem effizienteren und zuverlässigeren System resultieren würde.

• Zahlungsverarbeitung – Dieses letzte Beispiel entstammt der Studie. Die Forschergruppe entwickelte  „Busfahrkarten“, die Geld direkt von einer Karte zu einer anderen übertragen konnten. Stellen Sie sich vor, dass es möglich ist, bei jemandem elektronisch zu bezahlen, ganz ohne Mobilfunk- oder WLAN-Signal.

Diese Technologie wird schon  in naher Zukunft unglaublich nützlich sein. Sie ermöglicht nicht allein die Kommunikation von Gerät zu Gerät, ohne den Einsatz von Funkmodulen. Vielmehr könnte sie auch eine Generation batterieloser Geräte hervorbringen, die ihre Energie aus der Luft beziehen können. Die Universität Washington hat uns bereits gezeigt, wie dies möglich ist, und hat dazu noch ein paar Einblicke gegeben, wie sich die „Ambient-Backscatter“-Technik noch energieeffizienter nutzen lässt. In allen Bereichen, vom Internet der Dinge bis hin zu unseren Kreditkarten, könnte dieses Übertragungssystem letztendlich genutzt werden.

Wenn Sie die Absicht hatten, ein IoT-Gerät mit äußerst niedrigem Stromverbrauch zu entwickeln, aber bisher Bedenken wegen der Datenübertragung hegten, haben Sie soeben die Wunderwaffe kennen gelernt. Es ist also an der Zeit, mit dem Design zu beginnen, und wenn Sie es richtig anstellen wollen, nutzen Sie eine hervorragende PCB-Design-Software dafür. CircuitStudio verkörpert den neuesten Stand der Technik im PCB-Design und kann Sie dabei unterstützen, Ihre Träume mit einer Vielzahl großartiger Tools Wirklichkeit werden zu lassen.

Haben Sie noch Fragen zu Geräten mit niedrigem Stromverbrauch? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.