Wake-up-Receiver: Elektronik im „Winterschlaf“

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Elektronik verbraucht nicht nur eine Menge Strom, sie kann auch helfen den Energiebedarf zu minimieren. So erwacht sie etwa mit einem Wake-up-Chip erst dann zum Leben, wenn es etwas zu tun gibt.

Kühlschränke, Kaffeemaschinen, Zahnbürsten, Elektrowerkzeuge – alle treten den Gang ins Internet an. Über die Sinnhaftigkeit ließe sich bei vielen dieser Geräte sicher streiten. Tatsache ist jedoch, dass die schöne Inter-der-Dinge-Welt eine Menge Energie verbrät. Denn in absehbarer Zeit wird es einige Milliarden dieser vernetzter IoT-Knoten geben. Und obwohl viele von ihnen zwischen den aktiven Phasen die meiste Zeit in einem Stand-by-Modus schlummern, sorgt die schiere Anzahl für einen erschreckend hohen, globalen Energieverbrauch. Neue, innovative Konzepte sind also gefragt.

Ein solches kommt von Wissenschaftlern der UC San Diego (University of California San Diego). Ihr Stromspar-Chip geht extrem schonend mit den Batterien in IoT-Geräten um. Letztere bekommen nämlich nur dann einen Weckruf, wenn wirklich Arbeit ansteht. Das soll den Forschern zufolge die Akkulaufzeit von wenigen Monaten auf Jahre ausdehnen.

Wake-up-Receiver gegen permanentes Aufwachen

Diese Methode kommt besonders dann in Frage, wenn nicht permanent Daten übertragen werden müssen. Das ist in Messstationen so oder etwa in tragbaren Gesundheitsmonitoren. Bislang erwachen diese in regelmäßigen Abständen, auch wenn es gerade nichts zu kommunizieren gibt.

Der Wake-up-Receiver aus San Diego hält dagegen durchgehend nach einem bestimmten Funksignal (Weck-Signatur) Ausschau, das dann ein Hochfahren des IoT-Gerätes initiiert. Hierzu benötigt er nur 22,3 Nanowatt (nW).

Was den Empfänger aber hauptsächlich von der Konkurrenz unterscheidet ist eine Übertragungsfrequenz von 9 GHz wie sie etwa in der Satellitenkommunikation oder Flugsicherung vorkommt. Das erlaubt den Forschern nahezu alles zu schrumpfen, angefangen von der Antenne und dem Übertrager bis hin zu Chip-externen (Off Chip) Komponenten.

Außergewöhnlich an dem Empfänger ist auch der breite temperaturstabile Bereich von -10 bis 40 °C – Indoor sicher weniger wichtig, für den Einsatz im Freien aber ein Muss.

Einen kleinen Nachteil hat das Gerät aber: Zwischen dem Erkennen des Wake-Up-Signals und dem Aufwecken vergehen 540 Millisekunden. Für die meisten Anwendungen dürfte das verglichen mit der deutlichen Erhöhung der Batterielebensdauer jedoch unerheblich sein.

Die einmalige Kombination aus einem extrem geringen Leistungsverbrauch (22,3 nW), winzigen Ausmaßen (4.55 Quadratzentimeter), einer hohen Empfindlichkeit (-69.5 dBm) und einem breiten temperaturstabilen Bereich (-10 bis 40 °C) prädestiniert den Wake-up-Receiver von der UC San Diego für eine ganze Reihe zukünftiger IoT-Anwendungen.

Das Forscher-Team der UCSD veröffentlichte seine Ergebnisse unter dem Titel „A 22.3 nW, 4.55 cm2 Temperature-Robust Wake-up Receiver Achieving a Sensitivity of -69.5 dBm at 9 GHz“ im IEEE Journal of Solid State Circuits.

 

 

Wake-up-Receiver (Bild: David Baillot/UCSD)

Der Wake-up-Receiver senkt den Energieverbrauch von IoT-Geräten mit einer einzigartigen Kombination von Leistungsmerkmalen. (Bild: David Baillot/UCSD).