Nie wieder aufladen: 6G-Mobilfunk für Zero-Energy-Geräte

Nie mehr Batteriewechsel oder Akkuladen? Ericsson und das Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben sich zusammengetan, um Techniken zur Energieaufnahme aus der Umgebung für das Internet der Dinge zu entwickeln (Internet of Things, IoT). "Energy Harvesting" gibt naturgemäß nur sehr wenig Energie her, diese Nuss haben auch schon andere Forschungsgruppen versucht zu knacken. Die Partner prägen nun mit Zero-Energy-Devices einen weiteren Begriff mit Fokus auf Mobilfunkgeräte und -netze für industrielle Anwendungen.

Für 4G- und 5G-Netze sind schon diverse Spezifikationen für genügsamen Funkbetrieb niedergeschrieben und teils auch implementiert (Massive Machine-type Communication, etwa zur Zählerfernauslesung). NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) und LTE für Maschinen (LTE-M) sind für Datenraten von wenigen hundert Kilobit pro Sekunde ausgelegt und kommen unter optimalen Bedingungen bis zu zehn Jahre mit einer Knopfzelle aus.

Dennoch ist der Ansatz unwirtschaftlich, wenn man regelmäßig Batterien zehntausender Geräte wechseln muss. Zudem hängt die Batterielebensdauer von der Länge der Sende- und Empfangsintervalle ab: Sie sinkt erheblich, wenn ein NB-IoT- oder LTE-M-Gerät alle paar Minuten kommuniziert.

Ericsson beschreibt in einem Blog-Beitrag die Herausforderungen für Zero-Energy-Geräte, die ohne Batterie auskommen sollen. Sie gewinnen die für den Betrieb erforderliche Energie aus der Umgebung – aus Vibrationen, Licht, Temperaturgradienten oder Hochfrequenzwellen, wie sie zum Beispiel TV-Sendeanlagen und Mobilfunkbasisstationen ausstrahlen. Sie sammeln sie zwar, aber zur Methode der Speicherung äußert sich Ericsson nicht.

Wo liegt die Energiegrenze?

Derartige Funkmodule könnten in Versandpaketen platziert werden, um die Lagerhaltung zu vereinfachen und zusätzlich etwa die Temperatur oder Luftfeuchtigkeit innerhalb der Verpackung zu melden. Ein weiteres Szenario sei die Überwachung von Umweltparametern an entfernten Standorten.

Bisherige Energy-Harvesting-Methoden entnehmen der Umgebung oft nur wenige Mikrowatt, was weit unter dem Bedarf heutiger sparsamer Geräte liegt. Selbst die sparsamsten Sendeempfänger benötigen Energie im Milliwatt-Bereich.

Aus dem geringen Energiepegel ergibt sich eine Obergrenze für die übertragbare Datenmenge. Zwar hängt sie stark von der Funkdistanz und den Bedingungen ab, aber meist beträgt sie nur wenige Bytes. Ein Trick, um mit dem beschränkten Energievorrat auszukommen, ist, seltener zu funken. Weil aber die Energieverfügbarkeit und die Güte des Übertragungskanals im Tages- oder Jahresverlauf schwanken, sind die Geräte prinzipiell nur sporadisch verfügbar. Deshalb seien gänzlich neue Spezifikationen der physikalischen Übertragungsschicht erforderlich.

Weitere große Herausforderungen sind die Authentifizierung und Verschlüsselung. Allein der Energiebedarf zur Verschlüsselung der Geräteidentität (IMSI) erfordert bei aktuellen NB-IoT-Geräten laut Ericsson so viel Energie, wie aktuelle Energy-Harvesting-Techniken erst innerhalb von Tagen einsammeln. Deshalb wollen Ericsson und das MIT neue, energieeffizientere Sicherheitsmechanismen entwickeln. Auch braucht es gänzlich neue Schaltkreise, die mit den niedrigen Energiemengen auskommen.

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(dz)