Passives Wi-Fi: Datenfunk fast ohne Strom

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Drahtlose Kommunikation mit verschwindend geringem Energieverbrauch – das klingt fast zu schön, um wahr zu sein. Und trotzdem ist die Idee genauso alt wie einfach. Man muss dazu „nur“ die analogen Stromfresser auslagern.

Ob Industrie, Haushalt, Gebäude oder Städte – smart sollen sie alle sein. Das setzt zwingend Kommunikation an allen Ecken und Enden voraus. Selbst Kaffeemaschinen, Handtuchspender oder Zahnbüsten sind davor nicht gefeit. Kosten und Stromverbrauch verhindern aber nach wie vor auch weitaus nützlichere IoT-Anwendungen. Und das trotz besonders „genügsamer“ Übertragungsstandards wie Bluetooth Low Energy oder Zigbee.

Ein Team von der Washington University versucht dagegen seit einigen Jahren, jedem noch so winzigen Gerät kostengünstig und höchst energieeffizient Konnektivität zu verpassen. Dabei greifen sie eine Technologie auf, die schon 1945 in einem Geschenk für den amerikanischen Botschafter als sowjetisches Abhörgerät diente. Das sogenannte „Ding“ bestand in der Hauptsache aus einer Schwingungsmembran und einer Antenne. Ohne eigene Stromquelle veränderte es lediglich das Signal eines anderen Senders, um Informationen zu übertragen.

Welche Entfernungen das „Ding“ in den sieben Jahren seines heimlichen Einsatzes überbrückte, ist nicht bekannt. Jetzt über siebzig Jahre später jedenfalls proklamieren die Ingenieure aus Washington mit 2,8 Kilometern Reichweite einen Weltrekord. Das reicht für Anwendungen in Gebäuden allemal, aber auch auf Industriegeländen und sogar in Smart Cities. Das aktuelle System funktionierte in einem Bürogebäude mit 41 Räumen und einer Gesamtfläche von etwa 450 Quadratmetern. Die Kommunikation glückte dabei ebenso an jedem Ort einer benachbarten 4.000 Quadratmeter großen Gemüsefarm.

Passives Wi-Fi ohne Stromhunger

Schon Ende letzten Jahres ließen die Forscher mit einem passiven WLAN aufhorchen, bei dem Übertragungen 10.000 Mal weniger Strom benötigen, als in herkömmlichen Systemen. Die Reichweite lag damals bei ca. 30 Metern und die Datenrate bei elf Megabit pro Sekunde.

Wer mit so wenig Strom auskommen will, muss die analoge von der digitalen Technologie trennen. Denn, während der digitale Teil der WLAN-Kommunikation nur wenige Mikrowatt benötigt, ist der für das Radiowellen-Trägersignal zuständige analoge Teil ziemlich stromhungrig.

Im passiven WLAN übernimmt deshalb die analogen Funktionen für alle mit dem WLAN kommunizierenden IoT-Sensoren ein zentrales, an einer Stromversorgung hängendes Gerät. Die passiven WLAN-Module in den IoT-Geräten etwa für die Heimautomatisierung oder Maschinenüberwachung modulieren das Signal nur noch mit der zu übertragenden Nachricht und senden es an handelsübliche Router, Smartphones oder Computer weiter.

Zirpen bei schwachen Signalen

Der jetzige „Weltrekord-Aufbau“ besteht nun wieder aus den drei Komponenten: Eine Quelle für die Radiosignale, ein Sensor, dessen Daten übertragen werden sollen, und ein Dekoder, der ankommende Daten entschlüsselt. Für die Datenübermittlung reichen winzige, gedruckte Batterien.

Ganz einfach lassen sich so schwache Signale natürlich nicht dekodieren, da sie sich mit den nicht reflektierten Signalen und anderen „Geräuschen“ überlagern. Nötig ist dazu eine spezielle Modulationstechnik, die im industriellen Umfeld bei Sensor-Aktor-Netzen und in der Gebäudeautomation Verwendung findet. Diese sogenannte Zirpenfrequenzspreizung (Chirp Spread Spectrum) ändert bei gleichbleibender Amplitude des Chirp-Impulses die Frequenz innerhalb einer festgelegten Zeit zwischen einer Anfangs- und Endfrequenz. Damit erreicht man eine höhere Empfindlichkeit und kann so das Signal über eine größere Entfernung auch dann dekodieren, wenn es schwächer als das Rauschsignal ist.

Marktreife schon 2018

Die Kosten des Datenübertragungschips liegen zwischen zehn und zwanzig US-Cent, ideal also für den Masseneinsatz. Feuchtesensoren in Ackerböden, Luftüberwachungssensoren in Messstationen oder Temperatursensoren in Gebäuden sind ideale Anwendungsszenarien für die Technologie. Durch die kontinuierliche Verfügbarkeit der Daten lassen sich damit auch smarte Echtzeitsteuerungen wie etwa die des Verkehrs in Innenstädten realisieren.

Im Frühling 2018 soll das System auf den Markt kommen. Weiterentwickelt und vertrieben wird es von Jeeva Wireless, einem Spin-out der Washington University. Anfang diesen Jahres brachte eine Investitionsrunde 1,2 Millionen US-Dollar für die Kommerzialisierung der Technologie. Möglicherweise gut angelegtes Geld, kürte doch das MIT-Magazin „Technology Review“ die Erfindung bereits zu einem der technologischen Durchbrüchen letzten Jahres.

 

 

 

Datenfunk fast ohne Strom (Bild: Washington University)

Messgeräte für Sport und Medizin könnten mit der neuen Technologie noch kleiner und ausdauernder werden. (Bild: Washington University).