Battery-free ambient FM backscatter nodes reaching 150 metres through digital chirp synthesis and MISO diversity reception

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Sensoren, die unsere Brücken, Wälder und Krankenhäuser überwachen, niemals einen Batteriewechsel benötigen. Jahrzehntelang wurde der Traum des Internets der Dinge durch ein einfaches, hartnäckiges Problem gebremst: die Energie. Um ein Funksignal zu senden, muss ein Gerät normalerweise seine eigene Funkwelle erzeugen – ein Prozess, der so viel Energie verbraucht, dass eine kleine Batterie innerhalb von Wochen oder Monaten leer ist. Das Ersetzen von Milliarden dieser Batterien ist nicht nur prohibitiv teilweise teuer, sondern stellt auch eine enorme Umweltbelastung dar. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem Weg, zu kommunizieren, ohne ein Signal von Grund auf neu zu erzeugen. Stattdessen wandten sie sich einer Methode namens Backscatter (Rückstreuung) zu, bei der ein Gerät einfach vorhandene Radiowellen reflektiert, die durch die Luft springen, und dabei verändert, wie sie abprallen, um Informationen zu kodieren. Diese Technik benötigt fast keine Energie, aber bis jetzt hatte sie Schwierigkeiten, Daten über weite Strecken zu senden oder dies zuverlässig ohne komplexe, sperrige Hardware zu tun.

Ein Forschungsteam hat nun einen praktischen Schritt zur Lösung dieses Problems demonstriert, indem es das vertraute Summen von UKW-Radiosendern in eine Energiequelle für winzige, batteriefreie Sensoren verwandelt hat. In einer kürzlich veröffentlichten Studie bauten sie einen Sensorknoten, der Energie aus Sonnenlicht gewinnt und die vorhandenen Radiowellen kommerzieller UKW-Radiosender nutzt, um Daten zu senden. Indem das Gerät diese bestehenden Signale reflektiert, anstatt neue zu erzeugen, arbeitet es mit einem winzigen Bruchteil der Energie, die Standardfunkradios benötigen. Die Forscher zeigten, dass dieser Ansatz in der Lage war, Daten über eine Distanz von 150 Metern erfolgreich zu übertragen – eine beachtliche Reichweite für ein derart energiearmes System –, indem sie eine geschickte Kombination aus digitaler Signalverarbeitung und einem Empfänger verwendeten, der gleichzeitig mehrere Radiosender hört.

Der Kern dieser Errungenschaft liegt darin, wie der Sensor seine Nachricht erstellt. Normalerweise erfordert die Erzeugung eines komplexen Funksignals einen dedizierten Schaltkreis, um eine glatte, kontinuierliche Welle zu produzieren. Dieses neue Gerät macht jedoch etwas anderes. Es verwendet einen handelsüblichen Mikrocontroller – die Art, wie man sie in vielen Unterhaltungselektronikgeräten findet –, um eine spezifische Art von Signal zu erzeugen, die als „Chirp“ bekannt ist. Ein Chirp ist ein Ton oder eine Welle, die sanft von einer tiefen zu einer hohen Tonhöhe gleitet, ähnlich dem Ruf eines Vogels oder einem Sonar-Ping. In diesem System erzeugt der Mikrocontroller die Welle nicht selbst. Stattdessen berechnet er ein Muster aus Nullen und Einsen, das die Form des Chirps repräsentiert. Dann sendet er dieses Muster an einen winzigen elektronischen Schalter, der mit einer Antenne verbunden ist. Während der Schalter zwischen zwei Zuständen hin und her springt, verändert er, wie die Antenne die eingehenden UKW-Radiowellen reflektiert. Dieses schnelle Hin- und Herspringen prägt das Chirp-Muster auf die vorhandenen Radiowellen auf, wodurch die Reflexion effektiv mit Daten moduliert wird, ohne jemals ein neues Trägersignal zu erzeugen.

Um den Energieverbrauch extrem niedrig zu halten, ist das Gerät so konzipiert, dass es die meiste Zeit im Schlafmodus verbleibt. Der Mikrocontroller erzeugt das Datenmuster und schaltet den Schalter nur für kurze Momente um, um dann sofort in einen Tiefschlafmodus zurückzukehren, in dem er fast keinen Strom zieht. Das gesamte System läuft mit Energie, die von einer kleinen Solarzelle geerntet wird, die in einem Superkondensator gespeichert ist, welcher wie eine winzige, wiederaufladbare Batterie fungiert. In ihren Tests fanden die Forscher heraus, dass der Knoten durchschnittlich nur 22 Mikrowatt Leistung verbrauchte. Dies ist etwa die Energie, die benötigt wird, um eine einzige LED für einen Bruchteil einer Sekunde zu betreiben, doch es reichte aus, um ein Datenpaket mit Sensorwerten zu senden. Das Gerät ist klein genug, um auf eine Leiterplatte mit den Maßen 45 mal 50 Millimetern zu passen – etwa die Größe einer Standardstreichholzschachtel – und enthält Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Bewegung und Magnetfelder.

Eines der bedeutendsten Hindernisse für die Backscatter-Technologie war bisher die Distanz. Das Reflektieren eines Signals ist viel schwächer als das Aussenden eines Signals, weshalb das Signal oft verblasst, bevor es von einem Empfänger aufgefangen werden kann. Um dies zu überwinden, verließ sich die Forschergruppe nicht auf einen einzelnen Radiosender. Stattdessen entwarfen sie einen Empfänger, der mehrere UKW-Sender gleichzeitig hört. In ihren Außenexperimenten befand sich der Sensor 150 Meter vom Empfänger entfernt, während die von ihm reflektierten UKW-Radiosignale von einem Sender stammten, der 34,5 Kilometer entfernt lag. Der Empfänger, der aus kostengünstiger Software-Defined-Radio-Hardware aufgebaut war, erfasste dasselbe Datenpaket, während es von drei verschiedenen UKW-Stationen reflektiert wurde. Da jede Station einen leicht anderen Pfad für das Signal bietet, kann der Empfänger diese multiplen Kopien kombinieren, um eine klarere, stärkere Version der Nachricht zu erstellen. Diese Technik, bekannt als Diversitätsempfang (Diversity Reception), ermöglichte es dem System, Fehler zu korrigieren und die Daten selbst dann erfolgreich zu dekodieren, wenn das Signal einer einzelnen Station allein zu schwach wäre, um verstanden zu werden.

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass diese Methode in der realen Welt funktioniert. Die Forscher testeten das System auf dem Campus der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh unter Verwendung bestehender BBC-Radiosender als Quelle für die Trägerwellen. Sie fanden heraus, dass das System durch die Kombination der Signale von drei Stationen eine zuverlässige Verbindung über die getestete maximale Distanz von 150 Metern aufrechterhalten konnte. Die Datenrate war langsam und übermittelte nur wenige hundert Bits pro Sekunde, was jedoch für viele Anwendungen zur Umweltüberwachung ausreicht, bei denen Sensoren beispielsweise nur alle paar Minuten eine Temperatur oder ein Bewegungsereignis melden müssen. Die Studie weist explizit darauf hin, dass das System vollständig auf der bestehenden Broadcast-Infrastruktur beruht und keine neuen Transmitter oder dedizierten Radioquellen erfordert. Sie hebt auch hervor, dass die digitale Methode, die zur Erzeugung des Chirp-Signals verwendet wird, einfach genug ist, um auf gängigen Mikrocontrollern ausgeführt zu werden, wodurch teure oder komplexe kundenspezifische Hardware vermieden wird.

Obwohl die aktuelle Reichweite von 150 Metern eine starke Demonstration ist, räumen die Forscher ein, dass dies erst der Anfang ist. Das System ist skalierbar konzipiert, und die Verwendung mehrerer Stationen deutet darauf an, dass die Reichweite in Gebieten mit mehr Radioabdeckung erweitert werden könnte. Die Studie weist auch darauf hin, dass die digitale Chirp-Synthesemethode flexibel ist und potenziell für andere Arten von Funknetzwerken angepasst werden könnte. Die Forscher mahnen jedoch zur Vorsicht und stellen fest, dass der aktuelle Erfolg von den spezifischen Bedingungen ihres Tests abhängt, einschließlich der Stärke der lokalen UKW-Signale und der Fähigkeit des Empfängers, mehrere Streams gleichzeitig zu verarbeiten. Sie schlagen vor, dass zukünftige Arbeiten darauf abzielen könnten, die Signalverarbeitung zu verfeinern, um komplexere Umgebungen zu bewältigen oder die Distanz weiter zu erhöhen.

Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen weit über das Labor hinaus. Indem sie bewiesen haben, dass ein Sensor mit geernteter Solarenergie laufen und unter Verwendung der Reflexion von umgebenden Radiowellen kommunizieren kann, haben die Forscher einen gangbaren Weg zu wahrhaft wartungsfreien drahtlosen Netzwerken aufgezeigt. Dies könnte Sensoren bedeuten, die in Wände eingebettet sind und niemals einen Batteriewechsel benötigen, oder Tags an Versandcontainern, die über Jahre hinweg ohne menschliches Eingreifen ihren Standort und Zustand melden. Die zentrale Erkenntnis ist, dass die Energie, die für die Kommunikation benötigt wird, nicht unbedingt vom Gerät selbst kommen muss; sie kann aus der Umgebung geliehen werden. Indem sie die Radiowellen reflektieren, die bereits unsere Luft erfüllen, können diese winzigen Knoten am digitalen Gespräch teilnehmen, ohne die Last einer Stromquelle zu tragen. Die Studie bestätigt, dass mit der richtigen Kombination aus digitaler Synthese und intelligenter Signalzusammenführung der Traum eines selbstversorgenden, batterielosen Internets der Dinge der Realität immer näher kommt.