Forscher haben eine stromsparende und kostengünstige Möglichkeit für eine große Anzahl von Geräten, wie Maschinen in Fabriken und Ausrüstung in Labors, gefunden, um Informationen durch die effiziente Nutzung von Signalen bei ungenutzten hohen Frequenzen auszutauschen.
Die Technologie könnte sofort eine kostengünstige, effiziente Echtzeitüberwachung in industriellen Umgebungen ermöglichen, beispielsweise die Verfolgung des Zustands von Fertigungsrobotern oder die Erkennung von Gaslecks in Raffinerien, indem sie den Bedarf an stromhungrigen Signalsendern eliminiert. Die Forscher sagten, dass die Technologie mit einigen technischen Verbesserungen für groß angelegte Anwendungen wie intelligente Städte und die Landwirtschaft eingesetzt werden könnte.
Bei der Technologie handelt es sich um eine fortschrittliche Version eines Geräts, das Daten in einem drahtlosen System überträgt, das allgemein als Tag bezeichnet wird. Der neue Tag kann die Datenübertragung für ein großes Netzwerk von Geräten mithilfe einer Technik namens Rückstreuung unterstützen. Dabei sendet ein zentrales Lesegerät ein Signal an ein Sensor-Tag, um Informationen zu sammeln, und das Tag reflektiert dieses Umgebungssignal direkt zurück zum Lesegerät. Rückstreuung wird bereits in einfachen Systemen wie intelligenten Zahlungs- und Gebäudezugangskarten eingesetzt, war jedoch bisher nur bei niedrigen Frequenzen möglich.
Die niedrige Frequenzgrenze stellt ein Problem dar, wenn viele Geräte gleichzeitig versuchen zu kommunizieren, denn wenn mehr Signale eingeführt werden, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass sie ineinander stoßen und durcheinander geraten. Herkömmliche Backscatter-Designs weisen außerdem langsame Kommunikationsgeschwindigkeiten auf, da bei niedrigeren Frequenzsignalen Einschränkungen hinsichtlich der Menge an Informationen bestehen, die gleichzeitig hin und her übertragen werden können.
Der neue Tag, der von Forschern an der Princeton University, der Rice University und der Brown University entwickelt wurde, ist der erste seiner Art, der Rückstreuung im Sub-Terahertz-Bereich, einem hochfrequenten Teil des Funkspektrums, nutzen kann. Dieser Bereich kann Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung über große Bandbreiten unterstützen. Die Entwicklung bedeutet, dass es möglich sein könnte, die Signalübertragung für dichte Netzwerke von Geräten mithilfe passiver Tags zu ermöglichen, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen drahtlosen Systemen erheblich Energie und Infrastruktur eingespart werden könnte.
„Ich glaube, dass diese Technologie in vielen interessanten Umgebungen Anwendung finden wird“, sagte Yasaman Ghasempour, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik in Princeton und Hauptforscher der Studie. „Trotz der herkömmlichen Meinung zeigt dieses Papier, dass es möglich ist, eine stromsparende, skalierbare Kommunikation im Sub-Terahertz-Bereich zu haben.“
Das Papier wurde am 9. Oktober veröffentlicht Naturkommunikation.
Die Verwendung der Rückstreuung bei höheren Frequenzen ist eine Herausforderung, da die Signale bei ihrer Ausbreitung anfälliger für Schwund sind und für die Übertragung über große Entfernungen sehr präzise sein müssen. „Das Lesegerät muss einen schmalen, bleistiftförmigen Strahl formen, der genau auf die Position des Tags scheint, und das Low-Power-Tag sollte das Gleiche tun, ohne Strom zu verbrauchen. Das ist die eigentliche Herausforderung“, sagte Ghasempour.
Herkömmliche Rückstreu-Tags reflektieren Signale mithilfe einfacher Antennen zu ihrer Quelle zurück, die die Energie normalerweise in alle Richtungen senden, sodass nur ein Teil der Energie zum Lesegerät zurückkommt. Während einige fortschrittliche Tags die Richtung ihres Signals anpassen können, ist ihre Fähigkeit dazu begrenzt und sie sind auf einen engen Frequenzbereich beschränkt. Ghasempour sagte, dass das Team die gesamte Architektur des Tags überdenken müsse, um eine Sub-Terahertz-Rückstreuung zu erreichen. „Es würde nicht funktionieren, das gleiche alte Hardware-Design zu verwenden und es zu vergrößern“, sagte sie.
Um diese Einschränkungen zu beseitigen, entwickelten die Forscher eine völlig neue Antennenstruktur. Die neuen Antennen ermöglichen eine automatische Richtungsänderung des Signals als Reaktion auf Frequenzänderungen. Auf diese Weise kann das Tag das Signal steuern, um eine Kommunikation über größere Entfernungen zu ermöglichen und Störungen durch andere Signale zu vermeiden. Mit anderen Worten: Der Interferenz-Footprint jedes Tags ist im räumlichen und spektralen Bereich begrenzt.
Ghasempour sagte, sie hoffe, dass andere dieses Papier lesen und technische Verbesserungen für fortgeschrittene Anwendungen finden. Durch die Implementierung einer Methode zur kostengünstigen Signalverstärkung im System könnte die Technologie beispielsweise Sensornetzwerke in Städten mit Strom versorgen, um die Luftqualität oder den Verkehrsfluss zu überwachen.
Die Tags könnten an Verkehrsschildern angebracht werden, um von selbstfahrenden Autos erkannt zu werden, da sie mithilfe von Funkwellen Nachrichten wie „Halt“ oder „Vorbei“ übermitteln können, selbst wenn die Sicht durch Nebel oder Schnee blockiert ist. In der Landwirtschaft könnte die Technologie dazu beitragen, ausgedehnte Netzwerke von Bodensensoren über Felder oder Wälder hinweg aufzubauen, die Echtzeitdaten zu Feuchtigkeitsniveaus oder Temperatur liefern.
Ghasempour sagte, dass die Entwicklung von Datenmodulatoren mit geringem Stromverbrauch in solchen Systemen ein aktives Forschungsgebiet sei und dass diese Innovation einen Schritt zur Senkung der Kosten und des Stromverbrauchs für das gesamte drahtlose System darstelle.
