Eine Welt, in der Akkus nicht mehr aufgeladen oder ausgetauscht werden müssen – das ist kein blosser Wunschtraum, sondern bereits konkreter Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklung. Ericsson und das MIT Research Laboratory of Electronics (RLE) forschen gemeinsam am Aufbau einer neuen Netzstruktur, die völlig neue Anwendungen im 5G- und 6G-Netz möglich machen könnte.
Ein Schwerpunkt der Forschung widmet sich den Mobilfunknetzen, die eine Vielzahl an Sensoren und andere kleine Geräte um uns herum verbinden. Ericsson und MIT beschrieben in ihrer Forschung, wie diese Geräte Energie aus Funksignalen und anderen Quellen gewinnen können und durch modernste Netze gesteuert werden. Aktuell wird die Anwendbarkeit kleinerer Geräte in den kommerziellen 4G- und 5G-Netzen, etwa beim massiven Einsatz von Zehntausenden von Geräten in der Zählerfernauslesung, durch den Austausch oder das Aufladen benötigter Akkus bestimmt. Zudem ist die Batterielebensdauer von den jeweiligen Sende- und Empfangszyklen abhängig und verringert sich erheblich, wenn ein NarrowBand Internet of Things bzw. LTE für Maschinen (NB-IoT/LTE-M) Gerät konstant Daten sendet oder empfängt.
Die Ära der Null-Energie-Geräte – eine neue Chance im 6G-Netz der Zukunft
In der Ära der Null-Energie-Geräte könnten diese Herausforderung gelöst werden. Denn diese Anwendungen gewinnen die erforderliche Energie aus der Umgebung – aus Vibrationen, Licht, Temperaturunterschieden und sogar aus den Hochfrequenzwellen selbst und sind damit unabhängig vom Batteriebetrieb. Das ist ein Modell, das beispielsweise bei der Nachverfolgung von Paketen in einem Lagerhaus Anwendung finden könnte. Kostengünstige, energiefreie Geräte, die möglicherweise unmittelbar auf die Kartons ausgedruckt sind, werden so überwacht und liefern sogar Informationen, beispielsweise über die Temperatur oder Luftfeuchtigkeit innerhalb des Kartons. Möglichkeiten, die ein passiver Strichcode nicht bieten kann. Miniaturisierte, kostengünstige und energiesparende Null-Energie-Geräte könnten auch grundsätzlich in der Umweltüberwachung zum Einsatz kommen, um Faktoren wie Umweltverschmutzung, das Wetter oder sogar auch das Auftreten von Krankheiten zu überwachen. Die neue Endgeräte-Generation bringt auch Potenzial für die Einzelhandelsbranche mit. Beim Betrachten und Berühren einer bestimmten Ware durch den Kunden könnten eingebettete Null-Energie-Geräte das Interesse registrieren und über das Ladennetz auf Bildschirmen weitere Optionen für ähnliche Waren oder Accessoires anbieten.
Herausforderungen: Von der Energiegewinnung bis zu neuen Sicherheitssystemen
Bevor die Vision der Null-Energie-Geräte Wirklichkeit wird, gilt es noch unterschiedlichste Forschungsfragen zu lösen – von der Energiegewinnung über die Kommunikation bis hin zum Gesamtsystemdesign für eine sehr grosse Anzahl von Geräten. Ericsson und das MIT bringen ihr kombiniertes Fachwissen im Bereich der Kommunikationssysteme und des Energy Harvesting ein, um diese Herausforderungen zu bewältigen.
Null-Energie-Geräte verbrauchen zwar auch Energie, aber ihre Energieversorgung ist durch bestimmte Voraussetzungen extrem begrenzt. So ist die Energie, die aus Miniaturquellen, einschliesslich thermischer, vibratorischer und photovoltaischer Quellen, gewonnen werden kann, in der Regel sehr gering. Daher müssen Null-Energie-Geräte Energie speichern. Zudem benötigen die elektronischen Schaltkreise in einem Null-Energie-Gerät eine Mindesteingangsspannung. Diese ist in der Regel um viele Grössenordnungen höher als die Spannung am Ausgang der Antenne. Diese Eingangsspannung effizient in Werte umzuwandeln, mit denen die Elektronik betrieben werden kann, stellt eine weitere Herausforderung dar. Aus der begrenzten Energieversorgung der Null-Energie-Geräte ergibt sich eine Obergrenze für die zu übertragende Datenmenge. In vielen Fällen bemisst sie sich, auch in Abhängigkeit von der Entfernung und den Funkbedingungen, lediglich auf ein paar Bytes. Der Betrieb im Duty-Cycle-Verfahren stellt eine energiesparende Lösung dar, bringt aber auch eine schwankende Verfügbarkeit der Geräte für die Kommunikation mit sich. Die strengen Vorgaben für den Stromverbrauch sowie die schwankende Verfügbarkeit von Null-Energie-Geräten stellt die Mobilfunktechnologie vor neue Aufgaben jenseits herkömmlicher Übertragungsschemata. Auch die Handhabung der Mobilität muss neu überdacht werden. Der derzeitige Ansatz, bei dem die Geräte fortwährend nach Kandidatenzellen suchen und die Messungen an das Netz melden, das schliesslich entscheidet, ob ein Handover durchgeführt wird oder nicht, ist für die derzeitigen zellularen Systeme geeignet. Die sehr kleine Energiequelle in einem Null-Energie-Gerät wird dies aber schnell erschöpfen. Erforderlich sind neue und wesentlich energieeffizientere Methoden. In anderen Szenarien, z. B. in einem Lager, in dem die Kisten (und Geräte) hauptsächlich stillstehen, ist die Handhabung der Mobilität weniger problematisch. Auch Fragen der Sicherheit stehen im Fokus der Forschung: Die Sicherheit in modernen Mobilfunknetzen wird durch Authentifizierung und Verschlüsselung gewährleistet. Der Energiebedarf für die Verschlüsselung ist jedoch nicht mit der Ernteleistung im mW-Bereich zu bewältigen. Neue, energieeffizientere Sicherheitsmechanismen werden benötigt.
Ericsson und MIT arbeiten gemeinsam daran, die vielfältigen Herausforderungen im Bereich der Null-Energie-Geräte zu lösen, ihre Entwicklung voranzutreiben und zu zeigen, wie sie in die Mobilfunknetze der Zukunft integriert werden können – und damit für massgebliche Veränderungen in der Industrie sorgen könnten.
