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6G: Ericsson und MIT erforschen Null-Energie-Hardware

"Null-Energie-Geräte" sollen die nächste Gene­ration der Mobil­funk­netze "revo­lutio­nieren" und indus­tri­elle Prozesse noch digi­taler machen.

Eine Welt, in der Akkus nicht mehr aufge­laden oder ausge­tauscht werden müssen - klingt fast zu schön, um wahr zu sein? Nein, sagt der Netz­werk­aus­rüster Ericsson, "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 sehr viele Sensoren und andere kleine Geräte um uns herum verbinden sollen. Ericsson und MIT wollen mit ihrer Forschung heraus­finden, wie diese Geräte Energie aus Funk­signalen und anderen Quellen gewinnen können und durch "modernste" Netze gesteuert werden.

4G/5G-Sensoren brau­chen (zu viel) Strom

Aktuell wird über kleine Geräte in den kommer­ziellen 4G- und 5G-Netzen gespro­chen, etwa beim massiven Einsatz der Strom­zähler-Fern­aus­lesung. Doch dort muss perma­nent die Batterie gewech­selt oder der Akku aufge­laden werden. 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 - neue Chance im 6G-Netz der Zukunft?

Genau hinschauen: Zwischen Ast und Raupe ist ein Null-Energie 6G-Sensor Genau hinschauen: Zwischen Ast und Raupe ist ein Null-Energie 6G-Sensor
Foto: Ericsson
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 wären damit unab­hängig vom Batte­rie­betrieb.

Das Modell könnte beispiels­weise bei der Nach­ver­fol­gung von Paketen in einem Lager­haus Anwen­dung finden. Kosten­güns­tige, ener­gie­freie Geräte, die mögli­cher­weise unmit­telbar auf die Kartons ausge­druckt sind, werden so über­wacht und liefern 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 Poten­zial für den Einzel­handel. Beim Betrachten und Berühren einer bestimmten Ware durch den Kunden könnten einge­bet­tete Null-Energie-Geräte das Inter­esse regis­trieren und über die vernetzten Bild­schirmen im Laden weitere Optionen für ähnliche Waren oder Acces­soires zeigen.

Heraus­for­derungen: Von Ener­gie­gewin­nung bis zu Sicher­heits­sys­temen

Bevor die Vision der Null-Energie-Geräte Wirk­lich­keit werden kann, muss noch einiges erforscht werden. Wie sieht die Ener­gie­gewin­nung konkret aus und wie kommu­nizieren diese Geräte und wie sieht das System bei einer sehr große Anzahl von Geräten aus? Ericsson ist Netz­werk­aus­rüster und hat früher auch Mobil­tele­fone entwi­ckelt und herge­stellt. MIT steht für Massa­chus­setts Insti­tute of Tech­nology, eine Elite-Univer­sität für Tech­nologie in den USA. Beide Partner bringen ihr kombi­niertes Fach­wissen im Bereich der Kommu­nika­tions­sys­teme und des "Energy Harvesting" (Ener­gie­gewin­nung) 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. Die wird in vielen Fällen - auch in Abhän­gig­keit von der Entfer­nung und den Funk­bedin­gungen - ledig­lich ein paar Bytes betragen.

Ein - Aus - Ein - Aus

Der Betrieb im Duty-Cycle-Verfahren (Gerät ist nicht immer an, sondern nur eine gewisse, kurze Zeit) stellt eine ener­gie­spa­rende Lösung dar, bringt dann aber schwan­kende Verfüg­bar­keit 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 und Über­legungen, weil "allways on" nicht mehr möglich ist.

Die Mobi­lität muss also komplett neu über­dacht werden. Der derzei­tige Ansatz, bei dem die Geräte fort­wäh­rend nach Funk­zellen suchen und die erfolgten Messungen an das Netz melden, das schließ­lich daraus entscheidet, ob ein Handover durch­geführt wird oder nicht, ist für nur die heutigen zellu­laren Systeme geeignet.

Die sehr kleine Ener­gie­quelle in einem Null-Energie-Gerät würde dies schnell erschöpfen. Erfor­der­lich sind also neue und wesent­lich Energie-effi­zien­tere 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 sollen erforscht werden. Die Sicher­heit in modernen Mobil­funk­netzen wird durch Authen­tifi­zie­rung und Verschlüs­selung gewähr­leistet. Der Ener­gie­bedarf für die Verschlüs­selung wäre mit der "Ernte­leis­tung" im mW-Bereich nicht zu bewäl­tigen. Also: Es braucht neue, ener­gie­effi­zien­tere Sicher­heits­mecha­nismen.

Ericsson und MIT arbeiten gemeinsam daran, die Heraus­for­derungen im Bereich der Null-Energie-Geräte zu lösen und weiter­zuent­wickeln. Sie wollen zeigen, wie sie in die Mobil­funk­netze der Zukunft inte­griert werden können - und damit für maßgeb­liche Verän­derungen in der Indus­trie sorgen könnten.

Bevor 6G starten wird, schauen wir uns 5G genauer an: Welches 5G-Netz ist welt­weit am schnellsten?

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